Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Motor, der eine Kurbelwelle aufweist, und mit einer Laderanordnung, wobei die Laderanordnung aufweist: eine Nutzturbine zur Wandlung von Energie eines Abgasstromes des Motors in eine erste rotatorische Bewegung der Nutzturbine, einen Verdichter zum Verdichten eines Ladeluftstroms für den Motor über eine zweite rotatorische Bewegung.

Laderanordnungen in Brennkraftmaschinen, insbesondere solche mit Nutzturbinen zur Umwandlung von Abgasenergie in mechanische Energie, insbesondere zur Realisierung von Turbo-Compound-Konzepten, sind allgemein bekannt.

DE 10 2008 005 201 AI offenbart ein Turbo lader-Turbocompoundsystem insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt und eine Abtriebswelle aufweist; mit einer Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom angeordnet ist, um Abgasenergie in mechanische Energie umzuwandeln; mit einem Verdichter, der über eine ersten Triebverbindung - Turboladertriebverbindung - mittels der Abgasnutzturbine antreibbar ist und ein dem Verbrennungsmotor für die Verbrennung zugeführtes Medium verdichtet; wobei die Turboladertriebverbindung und damit der Verdichter in einer zweiten Triebverbindung - Turbocompoundtriebverbindung - mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors steht oder in eine solche schaltbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbocompoundtriebverbindung wenigstens zwei parallele Leistungszweige aufweist, die zueinander unterschiedliche Übersetzungen aufweisen oder in welchen zueinander verschiedene Übersetzungen einstellbar sind, um das Drehzahlverhältnis zwischen der Turboladertriebverbindung und der Verbrennungsmotorabtriebswelle zu variieren. DE 10 2007 017 777 B4 beschreibt eine Turbo laderanordnung, mit mindestens einer Turboladerstufe, die eine Turbine und einen Verdichter aufweist, welche im Turbo laderbetrieb mechanisch stets vollständig voneinander entkoppelt sind und über eine elektrische Koppeleinrichtung miteinander gekoppelt sind. Das Konzept ist noch verbesserungswürdig hinsichtlich der Unabhängigkeit von Energiespeichern, insbesondere elektrischen Energiespeichern, sowie hinsichtlich eines einfachen Aufbaus, der Effizienz der Energierückgewinnung, insbesondere unabhängig vom Betriebspunkt des Motors, und einer flexibleren Bauraumgestaltung. Wünschenswert ist es daher, die Funktion der Laderanordnung in mindestens einem der genannten Punkte zu verbessern.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, in verbesserter Weise eine Brennkraftmaschine mit einer Laderanordnung anzugeben, welche die genannten Probleme zumindest teilweise addressiert. Insbesondere soll ein einfacher Aufbau der Laderanordnung ermöglicht werden, sowie die Effizienz der Energieumwandlung erhöht werden. Insbesondere soll hierbei die Abhängigkeit von anderen Energieformen, insbesondere auf ein zusätzliches Umwandeln und Speichern von Energie, beispielsweise elektrischer Energie, verringert werden.

Die Aufgabe, betreffend die Laderanordnung, wird durch die Erfindung mit einer Brennkraftmaschine des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einer Brennkraftmaschine mit einem Motor, der eine Kurbelwelle aufweist, und mit einer Laderanordnung, wobei die Laderanordnung aufweist: eine Nutzturbine zur Wandlung von Energie eines Abgasstromes des Motors in eine erste rotatorische Bewegung der Nutzturbine, einen Verdichter zum Verdichten eines Ladeluftstroms für den Motor über eine zweite rotatorische Bewegung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle von der Nutzturbine antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung, der Verdichter von der Kurbelwelle antreibbar ist über die zweite rotatorische Bewegung, sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann, und der Verdichter und die Nutzturbine mittelbar über eine Kurbelwelle des Motors mittels einer Kupplungsanordnung kuppelbar sind.

Die„mittelbare Kupplung" bedeutet insbesondere, dass Nutzturbine und Verdichter über die Kurbelwelle (statt direkt und starr, beispielsweise über eine Turbo laderwelle) gekuppelt sind;— das heißt vor allem„nicht direkt mechanisch miteinander verbunden/gekoppelt"-- .„Mittelbar" in diesem Sinn bedeutet somit, dass Nutzturbine und Verdichter an die Kurbelwelle des Motors mechanisch und momentenübertragend gekuppelt werden können aber nicht müssen; hier sind also unterschiedliche Betriebsmodi möglich. In dem Betriebsmodus mit einer geschlossenen Kupplungsnaordnung an die Kurbelwelle ist eine„mittelbare Kupplung" auch insofern gegeben als dass eine Abgasenthalpie, die seitens der Nutzturbine zur Verfügung gestellt wird, genutzt wird, um diese zu einer kinetischen Energie der Kurbelwelle beizutragen - dies kann in dem Betriebsmodus mit einer geschlossenen Kupplungsnaordnung lediglich der Nutzturbine zur Kurbelwelle den über die Zylinder-Kolben und Pleuel des Motors gelieferten -insofern Kraftstoff bedingten— Antrieb der Kurbelwelle entlasten; dies kann aber auch (muss jedoch nicht) im Falle eines Betriebsmodus mit einer geschlossenen Kupplungsnaordnung der Nutzturbine zur Kurbelwelle und zum Verdichter auch zum Antrieb des Verdichters genutzt werden. Vorteilhaft sind Nutzturbine und Verdichter an die Kurbelwelle des Motors mechanisch und momentenübertragend unabhängig voneinander kuppelbar. Auf diese Weise kann insbesondere die Nutzturbine vorteilhaft praktisch mit dem vollständigen Abgasstrom des Motors beaufschlagt werden. Die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter kann sich unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen. Insbesondere wird—anstelle einer herkömmlichen, zumindest teilweisen, direkten Nutzung der Abgasenergie zur Verdichtung von Ladeluft bei einer üblichen unmittelbar verbundenen, d.h. regelmäßig mechanisch starr und direkt verbundenen, Nutzturbine und Verdichter (beispielsweise über eine starre Turboladerwelle)— eine Nutzung der Abgasenergie zur Rückgewinnung von mechanischer Energie bzw. Bewegungsenergie durch Speisung der Kurbelwelle des Motors durch eine Nutzturbine vorteilhaft genutzt; und zwar von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine . Diese erste rotatorische Bewegung der Nutzturbine kann gemäß dem Konzept der Erfindung—infolge der über den lediglich mittelbaren Antrieb definierten Entkopplung von Nutzturbine und Verdichter— abgenommen werden durch die Kurbelwelle und/oder den Verdichter oder eben nicht abgenommen werden; so kann sich allgemein die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen.

Demnach ist dann der Verdichter von der Nutzturbine mittelbar antreibbar über eine zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter in dem Sinne, dass sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellen kann. Insbesondere kann die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unabhängig von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine eingestellt werden oder stellt sich nach dem Betrieb des Motors ein. Diese zweite rotatorische Bewegung wird ggf. von der Kurbelwelle über deren Ankopplung an den Verdichter und/oder die Nutzturbine zur Verfügung gestellt. Die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter ist demnach unabhängig von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellbar, beispielweise mit einem geeigneten Übersetzungsverhältnis oder frei infolge des aktuellen Betriebs des Motors.

Beispielsweise kann in einem ersten zur Erfindung gehörenden Betriebsmodus die von der Nutzturbine erzeugte erste rotatorische Bewegung teilweise oder vollständig zum Erzeugen der zweiten rotatorischen Bewegung für den Verdichter eingesetzt werden. In einem derartigen ersten Betriebsmodus wird, insbesondere die von der Nutzturbine erzeugte Energie teilweise oder vollständig an den Verdichter übertragen - dies mittelbar über die Kurbelwelle. Somit ist dieser Betriebsmodus, trotz der mittelbaren Kupplung über die Kurbelwelle, zumindest in seiner Funktion im Wesentlichen mit einer herkömmlichen Abgasturbo lader- Anordnung vergleichbar. Eine teilweise oder vollständige Nutzung der ersten rotatorischen Bewegung zum Erzeugen der zweiten rotatorischen Bewegung für den Verdichter kann beispielsweise vorliegen, wenn die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist und die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist.

Weiterhin kann beispielsweise in einem zweiten zur Erfindung gehörenden Betriebsmodus die von der Nutzturbine erzeugte erste rotatorische Bewegung teilweise oder vollständig für eine weitere Funktion, insbesondere dem Antreiben der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. In einem derartigen zweiten Betriebsmodus wird insbesondere die von der Nutzturbine erzeugte Energie teilweise oder vollständig für eine weitere, insbesondere von der Funktion der Ladeluftverdichtung verschiedene, Funktion genutzt. Insbesondere kann dies die Rückführung der in Form der Drehbewegung vorhandenen, kinetischen Energie in die Antriebsbewegung der Brennkraftmaschine sein. Die somit zurückgewonnene Energie kann insbesondere vorteilhaft in einen mit der Brennkraftmaschine verbundenen Antriebsstrang, insbesondere zum Antreiben eines Fahrzeugs, geleitet werden. Selbst wenn eine derartige Rückführung keine vom Nutzer der Brennkraftmaschine spürbare Leistungssteigerung zur Folge hat, so ist sie dennoch - insbesondere durch das zusätzliche Antreiben der Kurbelwelle durch die rückgewonnene Energie und die dadurch hervorgerufene Kraftstoffeinsparung - vorteilhaft. Gleichwohl ist eine Nutzung der ersten rotatorischen Bewegung für eine weitere Funktion, beispielsweise das Antreiben eines Generators oder einer Lichtmaschine, denkbar. Eine vollständige Nutzung der ersten rotatorischen Bewegung für das Antreiben der Kurbelwelle kann beispielsweise vorliegen, wenn die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist, insbesondere ohne dass die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist.

Weiterhin kann beispielsweise in einem dritten zur Erfindung gehörenden Betriebsmodus die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter teilweise oder vollständig aus einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle - das heißt insbesondere: ohne dass die Kurbelwelle zusätzlich von einer ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine angetrieben wird - erzeugt werden. In einem derartigen dritten Betriebsmodus wird der Verdichter insbesondere nicht oder nur teilweise von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine angtrieben, sondern vielmehr oder ausschließlich von der Kurbelwelle, welche wiederum von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Ein derartiger Betriebsmodus ergibt sich insbesondere, wenn die Nutzturbine nicht mit einem Abgasstrom beaufschlagt wird oder die momentenübertragene Verbindung zwischen Nutzturbine und Kurbelwelle unterbrochen ist. In diesem Falle kann der Verdichter insbesondere ausschließlich von der Kurbelwelle - weitestgehend im Sinne eines mechanischen Kompressors - angetrieben werden. Der Fall, dass die zweite rotatorische Bewegung für das Antreiben des Verdichters insbesondere ausschließlich von der Kurbelwelle erzeugt wird, kann beispielsweise vorliegen, wenn die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist, insbesondere ohne dass die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist.

Ermöglicht wird dieses erfinderische Konzept insbesondere durch die kuppelbare Anbindung sowohl von der Nutzturbine an den Motor als auch von dem Verdichter an den Motor. Das Konzept bietet vorzugsweise die Basis für eine in verbesserter Weise funktionierende Laderanordnung .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

Eine Weiterbildung geht von der Überlegung aus, dass bei einer geeigneten Umwandlung und Nutzung der Abgasenergie, insbesondere bei einer Umwandlung in mechanische Energie, im Gegensatz zu bekannten Turbocompound- Verfahren ggf. eine einzige Nutzturbine ausreichend ist. Weiterhin hat die Erfindung in diesem Zusammenhang erkannt, dass insbesondere bei der Nutzung von nur einer Nutzturbine wiederum ein Verdichten von Ladeluft mittels eines nicht direkt mit der Nutzturbine gekoppelten und vom Motor angetriebenen Verdichters vorteilhaft ist. Durch eine derartige, mit einer mechanischen Aufladung vergleichbare Verdichtung von Ladeluft wird insbesondere das Phänomen des„Turbolochs" vermieden, nämlich dass die von der Nutzturbine erzeugte Energie zum Antrieb des Verdichters in bestimmten Drehzahl- bzw. Betriebszuständen des Motors nicht ausreicht. Insbesondere ermöglicht die Laderanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung, Turbine und Verdichter unabhängig voneinander auszulegen und damit individuell auf die Erfordernisse des Motors abzustimmen. Auf diese Weise wird die Anpassung an das Kennfeld des Motors gegenüber einer Aufladung mit einem Abgasturbolader vereinfacht.

Auch ermöglicht die Entkopplung von Turbine und Verdichter, beide Bauteile an unterschiedichen Positionen am Motor anzubauen, so dass für die Nutzung des verfügbaren Bauraums höhere Freiheitsgrade gegeben sind.

Durch die Entkopplung von Turbine und Verdichter kann weiterhin der hohe Gesamtwirkungsgrad eines Turbocompoundverfahrens mit dem verzögerungsfreien Ansprechverhalten einer mechanischen Aufladung kombiniert werden.

Durch das mechanische Antreiben des Verdichters ist der Ladedruck analog zu einer mechanischen Aufladung bei einem Lastsprung, insbesondere bei einem Lastsprung von Teillast auf Nennleistung, nahezu verzögerungsfrei verfügbar. Der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung ist dabei vergleichbar mit den bekannten Turbocompound- Verfahren.

Im Unterschied zu einem herkömmlichen Abgasturbolader kann die gesamte Abgasenthalpie, welche bis zu 50% der Motorleistung beträgt, an der Nutzturbine in mechanische Energie gewandelt und dem Motor zugeführt werden.

P Abgas = 0 "v 5" * P Motor Bei dieser Umwandlung kann ein Wirkungsgrad von bis zu 80 % angenommen werden.

^1 Nutzturbine ^— 0,8

Die verlustbehaftete Absteuerung - etwa über ein Wastegate - entfällt durch die vollständige Nutzung der Abgasenergie durch die Nutzturbine gemäß dem Konzept der Erfindung. Somit ergibt sich ein Anteil zurückgewinnbarer Energie von 40 % der Motorleistung. Unter Berücksichtigung der Übertragungsverluste durch einen Übertragungswirkungsgrad von 95 % ergibt sich dabei ein nutzbarer Anteil der zurückgewinnbaren Energie von 38 %.

P Nutzbar = P Abgas * n I Nutzturbine * n l Ü .bertragung = 0 38 * P Motor

Weiterhin benötigt der Verdichter etwa 33% der Motorleistung. Unter Berücksichtigung des Übertragungswirkungsgrads zum Verdichter von 95 % ergibt sich damit ein Anteil von 35 % der Motorleistung, der zum Verdichten der Ladeluft aufgebracht werden muss. p

p Verdichter 0 35 ^ /^

V er dich ter - Antrieb ' Mo to r

^1 Übertragung

In dieser beispielhaft durchgeführten Rechnung beträgt der energetische Gewinn 3,0 % der Motorleistung. Unter Annahme geringerer Übertragungswirkungsgrade kann die Differenz auch negativ werden, sodass im Realfall eine Energiedifferenz von + 3 % bis - 2 % zu erwarten ist.

Der ungünstigste Fall mit einer negativen Differenz von - 2 % führt zu einer Verbrauchserhöhung des Motors in gleicher Größe. Durch die Vorteile dieser Erfindung, wie der Entfall des Wastegates, die Vorteile im Kennfeld etc. wird dieser Verbrauchsnachteil ganz oder teilweise kompensiert, sodass im Realfall keine Verbrauchsverschlechterung des Motors zu erwarten ist.

Durch die Entkopplung von Turbine und Verdichter ist weiterhin ein beliebiger Differenzdruck von Ladeluft zu Abgas, auch bezeichnet als Spülgefalle, erreichbar. Mittels dieser Möglichkeit kann insbesondere eine Hochdruck- Abgasrückführung in vorteilhafter Weise realisiert werden, weil beispielsweise auf das Konzept der Spenderzylinder verzichtet werden kann. Methoden zur Schadstoffreduktion wie beispielsweise im Miller-Kreisprozess erfordern einen hohen Ladedruck. Durch die Entkopplung von Ladedruck und Abgasgegendruck durch die Entkopplung von Nutzturbine und Verdichter gemäß dem Konzept der Erfindung kann der hohe Ladedruck ohne Verschlechterung des Ladungswechsels realisiert werden. Weiterhin kann die Turbine durch eine mechanische Kupplung mit der Kurbelwelle nicht durch Überdrehzahl überlastet werden. Dadurch ist sie insbesondere vor etwaigen Beschädigungen geschützt. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Verdichter über eine Kupplungsanordnung momentenübertragend mit der Nutzturbine verbindbar ist, wobei die Nutzturbine und/oder der Verdichter über die Kupplungsanordnung an die Kurbelwelle des Motors momentenübertragend gekuppelt werden können. Dies bedeutet insbesondere, dass die von der Nutzturbine erzeugte Drehbewegung mittelbar - nämlich über die Kurbelwelle - an den Verdichter übertragen wird und auf diese Weise zum Antrieb des Verdichters genutzt werden kann.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kupplungsanordnung mindestens eine Kupplung aufweist. Durch die mindestens eine Kupplung ist es vorteilhaft möglich, die Übertragung der Drehbewegung bei Bedarf zu unterbrechen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Nutzturbine und/oder der Verdichter über die Kupplungsanordnung an eine Kurbelwelle des Motors momentenübertragend gekuppelt werden kann. Dies bedeutet insbesondere, dass die Drehbewegung der Nutzturbine nicht direkt an den Verdichter übertragen wird, sondern über eine von einem Motor angetriebene Kurbelwelle. Durch die momentenübertragende Verbindung zwischen Nutzturbine und Kurbelwelle werden vorteilhaft die Drehbewegungen von Nutzturbine und Kurbelwelle überlagert und können somit je nach Bedarf sowohl zum Antreiben des Verdichters als auch zum Antreiben des zu dem Motor gehörigen Fahrzeugs genutzt werden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass die Nutzturbine über eine Turbinenkupplung an die Kurbelwelle des Motors kuppelbar ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass die Triebverbindung zwischen Nutzturbine und Kurbelwelle des Motors geschlossen und geöffnet werden kann. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Übertragung der von der Nutzturbine erzeugten Drehbewegung auf die Kurbelwelle des Motors je nach Bedarf herzustellen, zu unterbrechen, oder sogar graduell bzw. teilweise einzustellen. Auf diese Weise kann beispielsweise gewährleistet werden, dass eine langsamer drehende, von der Nutzturbine angetriebene Welle, von der Kurbelwelle getrennt wird, um eine bremsende Wirkung auf den Motor zu vermeiden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Turbinenkupplung als hydrodynamische Kupplung, insbesondere als Strömungskupplung, Wandler oder Trilok- Wandler, ausgebildet ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass eine Turbinen-Abtriebswelle der Nutzturbine über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors, insbesondere weiterhin über ein Getriebe, verbunden ist. Gemäß dem Prinzip einer hydrodynamischen Kupplung wird das Drehmoment insbesondere nicht direkt, sondern durch das Antreiben eines beide Kupplungspartner umgebenden Fluids übertragen. Hierdurch wird auf vorteilhafter Weise erreicht, dass insbesondere Drehzahlsprünge eines Kupplungspartners durch das kontinuierliche Angleichen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids praktisch ruckfrei bzw. ruckmindernd auf den anderen Kupplungspartner übertragen werden. Allgemein werden Drehschwingungen durch ein hydrodynamisches Getriebe gedämpft, was somit positiv zur Laufruhe beiträgt.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Turbinenkupplung als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass das Fluid zur Kupplung beider Kupplungspartner in gesteuerter bzw. geregelter Weise in den beide Kupplungspartner umschließenden Kupplungsraum der hydrodynamischen Kupplung eingefüllt bzw. aus dem Kupplungsraum ausgelassen werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Übertragungsleistung der hydrodynamischen Kupplung - und insbesondere die übertragene Drehzahl - im Betrieb kontinuierlich angepasst werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Nutzturbine weiterhin über ein Nutzturbinen-Getriebe zwischen Turbinenkupplung und Kurbelwelle angeordnet, mit der Kurbelwelle kuppelbar ist. Konkret bedeutet dies, dass die Drehzahl der Nutzturbine vor dem Einspeisen in den Motor verändert, insbesondere reduziert werden kann. Hierzu kann die Drehzahl der in der Regel höher drehenden Nutzturbine durch ein Getriebe, insbesondere mit einem Übersetzungsverhältnis von i = 25 - 30, reduziert werden. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Nutzung rückgewonnener Abgasenergie in mechanischer Form durch die direkte Übertragung auf die Kurbelwelle des Motors ermöglicht.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verdichter über eine Verdichterkupplung an die Kurbelwelle des Motors kuppelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Triebverbindung zwischen Kurbelwelle des Motors und Verdichter je nach Bedarf geschlossen und geöffnet werden kann. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Übertragung der von der Kurbelwelle des Motors erzeugten Drehbewegung auf den Verdichter je nach Bedarf herzustellen, zu unterbrechen, oder sogar graduell bzw. teilweise einzustellen. Somit kann auf vorteilhafte Weise die Leistung des Verdichters und somit der Grad der Verdichtung der Ladeluft je nach momentaren Anforderungen und aktuell vorherrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere kontinuierlich oder quasikontinuierlich in der Art eines Regelkreises, eingestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft verglichen mit einer herkömmlichen starren Triebverbindung zwischen Turbine und Verdichter, bei der eine derartige Einstellung nicht ohne Weiteres möglich ist.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Verdichterkupplung als hydrodynamische Kupplung, insbesondere als Strömungskupplung, Wandler oder Trilok- Wandler, ausgebildet ist. Dies beinhaltet konkret insbesondere, dass eine Antriebswelle des Verdichters über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Gemäß dem Prinzip einer hydrodynamischen Kupplung wird das Drehmoment insbesondere nicht direkt, sondern durch das Antreiben eines beide Kupplungspartner umgebenden Fluids übertragen. Hierdurch wird auf vorteilhafter Weise erreicht, dass insbesondere Drehzahlsprünge eines Kupplungspartners durch das kontinuierliche Angleichen der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids praktisch ruckfrei auf den anderen Kupplungspartner übertragen werden. Allgemein werden Drehschwingungen durch ein hydrodynamisches Getriebe gedämpft, was somit positiv zur Laufruhe beiträgt.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Verdichterkupplung als füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist. Konkret bedeutet dies insbesondere, dass das Fluid zur Kupplung beider Kupplungspartner in gesteuerter bzw. geregelter Weise in den beide Kupplungspartner umschließenden Kupplungsraum der hydrodynamischen Kupplung eingefüllt bzw. aus dem Kupplungsraum ausgelassen werden kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Übertragungsleistung der hydrodynamischen Kupplung im Betrieb kontinuierlich angepasst werden und insbesondere die Drehzahl des Verdichters im Betrieb gesteuert bzw. geregelt werden.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Verdichter weiterhin über ein Verdichter-Getriebe zwischen Verdichterkupplung und Kurbelwelle angeordnet, mit der Kurbelwelle kuppelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors mittels eines Verdichter-Getriebes verändert, insbesondere gesteigert, wird, um den Verdichter mit einer angepassten, insbesondere zur Verdichtung der Ladeluft ausreichend hohen Drehzahl anzutreiben. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, die rotatorische Bewegung des Motors mittels einer entsprechenden Übersetzung für die Ladeluftverdichtung direkt zu nutzen. Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter weiterhin einen Niederdruck-Lader und einen Hochdruck-Lader aufweist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass die Verdichtung von Ladeluft zweistufig, nämlich zunächst in einem Niederdruck-Lader und anschließend in einem Hochdruck-Lader erfolgt. Durch eine derartige Vorverdichtung im Niederdruck-Lader und eine anschließende Weiterverdichtung im Hochdruck-Lader können vorteilhaft höhere Verdichtungsenddrücke erreicht werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Niederdruck-Lader über ein Niederdruck-Lader-Getriebe von der Kurbelwelle angetrieben wird. Dies beinhaltet insbesondere, das mittels des Niederdruck-Lader-Getriebes die insbesondere am Abtrieb des Verdichtergetriebes anliegende Drehzahl derartig verändert, insbesondere reduziert, werden kann, so dass die Verdichtungsleistung des Niederdruck-Laders entsprechend eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine zweistufige Verdichtung praktisch vollständig mechanisch mit einem Antrieb, bzw. einer Antriebsbewegung, realisiert werden.

Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter als Strömungsverdichter ausgebildet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass ein Luftstrom kontinuierlich mittels eines sich drehenden Schaufelrades verdichtet wird. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Verdichter als Verdrängungsverdichter ausgebildet ist. Dies beinhaltet konkret, dass der Verdichter zu Ladeluftverdichtung nach dem Prinzip eines Verdrängungsverdichter funktioniert und somit bauartbedingt höhere Verdichtungsenddrücke realisieren kann. Insbesondere kann somit auf eine zweistufige Aufladung verzichtet und der konstruktive Aufwand der Laderanordnung reduziert werden. Weiterhin ist die Drehzahl zum Antrieb eines Verdrängungsverdichter generell geringer, so dass auch die Übersetzung des Verdichter-Getriebes niedriger sein kann im Vergleich zu einem Strömungsverdichter.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Turbinengetriebe einen Freilauf aufweist. Dies beinhaltet insbesondere, dass eine Triebverbindung zwischen Nutzturbine und Turbinen-Getriebe nur dann besteht, wenn die Drehzahl der Nutzturbine höher ist als die Eingangsdrehzahl des Getriebes. In dem anderen Fall, nämlich wenn die Drehzahl der Nutzturbine niedriger ist als die Eingangsdrehzahl des Getriebes, wird durch den Freilauf vorteilhaft verhindert, dass ein Leistungsfluss vom Motor zu Turbine stattfindet und der Motor auf diese Weise gebremst wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kupplungsanordnung elektromechanisch ausgebildet ist, insbesondere dass eine Drehbewegung in einen Generatorstrom beziehungsweise der Generatorstrom in eine Drehbewegung umwandelbar ist. Konkret beinhaltet dies insbesondere, dass sowohl turbinen- als auch verdichterseitig eine Anordnung bestehend aus Generator, Regler und Motor eine Umwandlung von kinetischer, insbesondere rotatorischer Energie in elektrische Energie, weiterhin eine Regelung und eine anschließende Rückumwandlung von elektrischer Energie in kinetische Energie ermöglicht. Durch eine derartige Weiterbildung kann durch die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt insbesondere vorteilhaft sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig eine Drehzahlumwandlung erfolgen. Weiterhin ist es auch möglich, die in elektrische Energie umgewandelte Bewegungsenergie durch geeignete Energiespeicher, insbesondere Akkus, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Bewegungsenergie zurückzuwandern.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Abgasturbine einen Generator antreibt. Der von diesem Generator erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der über eine geeignete Übersetzung mechanisch mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist. Somit wird die von der Abgasturbine erzeugte Energie auf den Motor übertragen. Durch Steuerung/Regelung des Elektromotors kann im gesamten Kennfeld des Motors die maximal verfügbare Energie aus dem Motor übertragen werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle des Motors mechanisch einen Generator antreibt. Der von diesem Generator erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der über eine geeignete Übersetzung mechanisch mit dem Verdichter verbunden ist. Somit wird die vom Motor erzeugte Energie (unabhängig von der verfügbaren Abgasenthalpie) auf den Verdichter übertragen. Durch Steuerung/Regelung des Elektromotors kann im gesamten Kennfeld des Motors die optimale Drehzahl für den Verdichter eingestellt werden.

Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem die Vorteile der Laderanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung vorteilhaft genutzt werden, insbesondere weil durch die kuppelbare Anordnung insbesondere des Verdichters das Spülgefälle bzw. der Ladedruck für den jeweiligen Betriebsmodus, nämlich 2-Takt- oder 4-Takt-Betrieb, angepasst werden kann. Vor allem wird im 2-Takt-Betrieb im Allgemeinen, insbesondere zur Realisierung einer Kopfumkehrspülung, ein höherer Ladedruck bzw. ein höheres Spülgefälle benötigt. Das Konzept der Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren des Anspruchs 19 zum Betrieb der Brennkraftmaschine und eine Einrichtung nach Anspruch 29 zum Betrieb der Brennkraftmaschine .

Das Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, betrifft die Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraftmaschine einen Motor mit einer Kurbelwelle und eine Laderanordnung aufweist, wobei die Laderanordnung aufweist:

eine Nutzturbine zur Wandlung von Energie eines Abgasstromes des Motors in eine erste rotatorische Bewegung der Nutzturbine,

einen Verdichter zum Verdichten eines Ladeluftstroms für den Motor über eine zweite rotatorische Bewegung,

dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahren beim Betrieb der Brennkraftmaschine

- die Kurbelwelle von der Nutzturbine über die erste rotatorische Bewegung angetrieben wird bzw. werden kann,

- der Verdichter von der Kurbelwelle angetrieben wird bzw. werden kann über die zweite rotatorische Bewegung,

sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellt, wobei

der Verdichter und die Nutzturbine über die Kurbelwelle des Motors mittels einer Kupplungsanordnung gekuppelt werden bzw. werden können.

Entsprechend ist eine Einrichtung vorgesehen zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Motor mit einer Kurbelwelle und eine Laderanordnung aufweist, wobei ein dem Motor zugeführter Ladeluftstrom mittels mindestens eines Verdichters verdichtet und mindestens eine Turbine mit einem aus dem Motor ausgeleiteten Abgasstrom beaufschlagt werden kann, insbesondere ausgebildet zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine, wobei die Kurbelwelle von der Nutzturbine antreibbar ist über die erste rotatorische Bewegung, der Verdichter von der Kurbelwelle angetrieben wird bzw. werden kann über eine zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter gekennzeichnet durch Regel- und Prozessormittel zum Betreiben der Brennkraftmaschine, derart dass

sich die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter unterschiedlich von der ersten rotatorischen Bewegung der Nutzturbine einstellt, wobei der Verdichter und die Nutzturbine über die Kurbelwelle des Motors mittels einer Kupplungsanordnung gekuppelt werden bzw. werden können.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die von der Nutzturbine erzeugte erste rotatorische Bewegung teilweise oder vollständig zum Erzeugen der zweiten rotatorischen Bewegung für den Verdichter eingesetzt wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist, derart dass die von der Nutzturbine erzeugte erste rotatorische Bewegung teilweise oder vollständig für eine weitere Funktion, insbesondere dem Antreiben einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist, derart dass die zweite rotatorische Bewegung für den Verdichter teilweise oder vollständig aus einer rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle erzeugt wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist, insbesondere ohne dass die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist, insbesondere ohne dass die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Kurbelwelle des Motors mit dem Verdichter gekuppelt ist und dass die Nutzturbine mit der Kurbelwelle des Motors gekuppelt ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:

Fig. 1A eine schematische Darstellung einer Weiterbildung einer Laderanordnung gemäß dem Konzept der Erfindung,

Fig. 1B eine schematische Darstellung einer alternativen Umsetzung nach dem Konzept der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Laderanordnung in einem Turbocompound-

Verfahren gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3A eine schematische Darstellung einer Laderanordnung einer weiteren bevorzugten

Weiterbildung gemäß dem Konzept der Erfindung mit einstufigem Verdichter,

Fig. 3B eine schematische Darstellung einer Laderanordnung einer weiteren bevorzugten

Weiterbildung gemäß dem Konzept der Erfindung mit zweistufigem Verdichter,

Fig. 4 eine stark vereinfachte Detailansicht einer füllungsgesteuerten hydrodynamischen

Kupplung.

Fig. 1A zeigt eine schematische Darstellung einer Weiterbildung einer Laderanordnung 100 gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Laderanordnung 100 weist hierbei insbesondere eine Nutzturbine 200 sowie einen Verdichter 300 auf. Ein aus einem Motor 1200 ausgeleiteter Abgasstrom A wird insbesondere vollständig durch die Nutzturbine 200 geleitet, in der die Energie des Abgases in Bewegungsenergie, insbesondere in eine rotatorische Bewegung, umgewandelt wird. Die Laderanordnung 100 weist weiterhin eine Kupplungsanordnung 150 auf. Über eine Turbinen-Abtriebswelle 202 wird vorliegend die von der Nutzturbine erzeugte rotatorische Bewegung an eine Turbinenkupplung 250 übertragen, welche bevorzugt als hydrodynamische Kupplung ausgebildet ist.

Durch die hydrodynamische Kupplung können insbesondere Drehzahlsprünge ruckfrei angepasst werden und Drehschwingungen vorteilhaft gedämpft werden. Von der Turbinenkupplung 250 wird die Drehbewegung weiter über eine Nutzturbinen-Getriebe-Antriebswelle 204 an ein Nutzturbinen-Getriebe 280 übertragen, welches insbesondere der Drehzahlanpassung der von der Nutzturbine 200 erzeugten rotatorischen Bewegung dient. Die Drehzahlanpassung erfolgt insbesondere zur Reduzierung bzw. Untersetzung der in der Regel höheren Drehzahl der Nutzturbine 200 zu einer für eine Einkopplung in eine Kurbelwelle 400 des Motors 1200 geeigneten Drehzahl. Typische Übersetzungs- bzw Untersetzungsverhältnisse liegen hierbei zwischen 10 und 40.

Von dem Nutzturbinen-Getriebe 280 wird die untersetzte Drehbewegung auf die Kurbelwelle 400 des Motors 1200 übertragen. Auf diese Weise wird die aus dem Abgasstrom A gewonnene Energie in mechanischer Form in den Motor 1200 zurückgeführt. Besonders bevorzugt weist das Nutzturbinen-Getriebe 280 weiterhin einen Freilauf auf, um den Leistungsfluss im Falle, dass die Drehzahl der Nutzturbinen-Getriebe-Abtriebswelle 206 geringer ist als die Drehzahl der Kurbelwelle 400, zu unterbinden.

Von der Kurbelwelle 400 des Motors 1200 wird weiterhin gemäß dem Konzept der Erfindung ein Verdichter-Getriebe 380 angetrieben. Das Verdichter-Getriebe 380 ändert die Drehzahl der von der Kurbelwelle 400 ausgehenden rotatorischen Bewegung derart, dass sie zum Antreiben des Verdichters 300 geeignet, insbesondere ausreichend hoch, ist.

Die entsprechend übersetzte Drehbewegung wird anschließend über eine Verdichter-Getriebe- Abtriebswelle 304 vom Verdichter-Getriebe 380 an eine Verdichterkupplung 350 übertragen. Diese hat, analog zu der Turbinenkupplung 250 den Vorteil, dass Drehzahlsprünge insbesondere ruckfrei angeglichen werden und Drehschwingungen durch die Funktionsweise einer hydrodynamischen Kupplung gedämpft werden. Insbesondere wird durch eine füllungsgesteuerte hydrodynamische Kupplung erreicht, dass durch Anpassung des Füllstandes eines Kupplungsfluids innerhalb eines Kupplungsraumes 258 die Übertragungsleistung der Verdichterkupplung gesteuert bzw. geregelt werden kann. Insbesondere kann auf diese Weise eine jeweils für einen momentanen Betriebszustand des Motors 1200 optimale Drehzahl des Verdichters 300 regelnd eingestellt werden.

Der Verdichter 300, der vorliegend als Strömungsverdichter ausgebildet ist, wird auf diese Weise von der rotatorischen Bewegung der Kurbelwelle 400 mechanisch angetrieben. Somit kann der Verdichter 300 einen dem Motor 1200 zugeführten Ladeluftstrom L auf vorteilhafte Weise verdichten.

Weiterhin ist schematisch eine Einrichtung 900 zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1000 dargestellt, welche vorliegend ein Regel- und Prozessormittel 910 aufweist. Dieses Regel- und Prozessormittel 910 ist, wie vorliegend durch gestrichelte Linien dargestellt, signalführend mit der Turbinenkupplung 250, dem Nutzturbinen-Getriebe 280, der Verdichterkupplung 350 und dem Verdichter-Getriebe 380 verbunden. Auf diese Weise kann das Konzept der Erfindung beispielsweise im Sinne eines bei dieser bevorzugten Ausführungsform dargestellten automatischen Systems bzw. Regelkreises umgesetzt werden. Insbesondere können die rotatorischen Bewegungen, das heißt hier die rotatorischen Bewegungen RT und RV, gemäß dieser Ausführungsform eingestellt werden. Diese rotatorischen Bewegungen RT und RV können durch Ansteuerung des Nutzturbinen-Getriebes 280 und/oder des Verdichter-Getriebes 380 übersetzt bzw. untersetzt werden. Es kann zusätzlich oder alternativ die Übertragung der Drehbewegung durch Ansteuerung der Turbinenkupplung 250 und/oder der Verdichterkupplung 350 unterbrochen bzw. eingesetzt werden. Ein Regel- und Prozessormittel 910 ist für andere Weiterbildungen, beispielsweise eine nachfolgend in der Fig. 1B gezeigten Weiterbildung, vorteilhaft mit einer elektromechanischen Kupplungsanordnung, entsprechend anzupassen, beispielsweise durch die Ansteuerung eines Turbinen-Reglers 240 und eines Verdichter-Reglers 244.

Weiterhin steht das Regel- und Prozessormittel 910 signalführend mit einer hier nur angedeuteten, jedoch nicht näher dargestellten, insbesondere übergeordneten, Steuerung der Brennkraftmaschine 1000 in Verbindung. Es kann zusätzlich oder alternativ auch Teil dieser sein, um das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung, insbesondere das Einstellen der zweiten rotatorischen Bewegung, umzusetzen.

Fig. 1B zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Umsetzung nach dem Konzept der Erfindung. Gezeigt ist eine Brennkraftmaschine 1000" mit einer Laderanordnung 100", die eine Nutzturbine 200" und einen Verdichter 300" aufweist. Die Nutzturbine 200" wird mit einem aus einem Motor 1200" stammenden Abgasstrom A" beaufschlagt.

Die so erzeugte Bewegungsenergie bzw. Drehbewegung RT wird über eine Generator- Antriebswelle 212 an einen turbinenseitigen Generator 220 übertragen. Dieser turbinenseitige Generator 220 wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche über eine turbinenseitige Generatorleitung 221 insbesondere in Form eines turbinenseitigen Generatorstroms 242 an einen Turbinen-Regler 240 übertragen wird.

In dem Turbinen-Regler 240 wird der turbinenseitige Generatorstrom 242 gemäß Sollwerten 241, welche insbesondere aus einer übergeordneten Steuerung, insbesondere einer Motorelektronik, stammen, geregelt. Ein auf diese Weise geregelter turbinenseitiger Generatorstrom 243 wird dann über eine turbinenseitige Motorleitung 222 an einen turbinenseitigen Motor 230 übertragen. Dieser ist momentenübertragend mit einer Kurbelwelle 400" des Motors 1200" verbunden, so dass eine von dem turbinenseitigen Motor 230 erzeugte Drehbewegung RM, zum Antrieb der Kurbelwelle 400", insbesondere zur Unterstützung der Drehbewegung RK der Kurbelwelle 400 " , eingesetzt werden kann.

Im Unterschied zu der in Fig. 1A gezeigten Weiterbildung findet vorliegend also keine vollständige mechanische Rückgewinnung der Abgasenergie statt. Stattdessen erfolgt durch eine Umwandlung in elektrische Energie, eine Regelung, und eine anschließende Rückumwandlung in mechanische Energie, eine elektromechanische Rückgewinnung der Abgasenergie. Die Kurbelwelle 400" ist weiterhin gemäß dem Konzept der Erfindung in dieser Weiterbildung momentenübertragend mit einem verdichterseitigen Generator 224 verbunden.

Dieser verdichterseitige Generator 224 wandelt die von der Kurbelwelle 400" in Form einer Drehbewegung übertragene Bewegungsenergie in elektrische Energie um, welche insbesondere in Form eines verdichterseitigen Generatorstromes 246 über eine verdichterseitige Generatorleitung 225 an einen Verdichter-Regler 244 übertragen wird. In diesem Verdichter- Regler 244 wird der verdichterseitige Generatorstrom 246, gemäß Sollwerten 245 für den Verdichter-Regler 244, geregelt. Analog zum Turbinen-Regler 240 stammen die Sollwerte 245 ebenfalls insbesondere aus einer übergeordneten Steuerung, insbesondere einer Motorelektronik.

Ein geregelter verdichterseitiger Generatorstrom 247 wird anschließend über eine verdichterseitige Motorleitung 226 an einen verdichterseitigen Motor 234 geleitet. Dieser verdichterseitige Motor 234 ist über eine Verdichter- Antriebswelle 312 momentenübertragend mit dem Verdichter 300" verbunden. Durch das Antreiben des Verdichters 300" durch den verdichterseitigen Motor 234 wird folglich ein Ladeluftstrom L", welcher dem Motor 1200" zugeführt wird, verdichtet.

Im Unterschied zu der in Fig. 1A gezeigten Weiterbildung wird vorliegend eine Drehbewegung von der Kurbelwelle 400" zum Verdichter 300" also nicht vollständig mechanisch, sondern durch eine Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie, eine Regelung, und eine Rückumwandlung von elektrischer Energie in Bewegungsenergie, elektromechanisch übertragen. Es handelt sich vorliegend also um eine elektromechanische Kupplungsanordnung 150'. Durch eine derartige Weiterbildung kann durch die Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie und umgekehrt insbesondere vorteilhaft sowohl turbinenseitig als auch verdichterseitig eine Drehzahlumwandlung erfolgen. Weiterhin ist es auch möglich, die in elektrische Energie umgewandelte Bewegungsenergie durch geeignete Energiespeicher, insbesondere Akkus, zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Bewegungsenergie zurückzuwandern.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laderanordnung in einem Turbocompound- Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Ein aus einem Motor 1200' austretender Abgasstrom A wird hierbei zunächst auf eine Abgasturbo lader-Turbine 180 eines Abgasturbo laders 160 geleitet. Gemäß der Funktionsweise eines Abgasturboladers treibt die auf diese Weise beschleunigte Abgasturbo lader-Turbine 180 über eine drehstarr verbundene Abgasturbolader- Welle 162 einen Verdichter 300' an, welcher wiederum einen Ladeluftstrom L für den Motor 1200' verdichtet. Der aus der Abgasturbolader-Turbine 180 austretende Abgasstrom A wird weiter auf eine Nutzturbine 200' geleitet, in welcher die restliche, noch im Abgasstrom A' enthaltene Energie in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird. Diese rotatorische Bewegung wird über eine Turbinen-Abtriebswelle 202' und weiterhin über eine Turbinenkupplung 250', welche beispielsweise als hydrodynamische Kupplung ausgebildet sein kann, an ein Nutzturbinen-Getriebe 280' übertragen. In diesem Nutzturbinen-Getriebe 280' wird die Drehzahl der von der Nutzturbine 200' erzeugten Bewegung angepasst, insbesondere reduziert, so dass sie weiter auf die Kurbelwelle 400' des Motors 1200' geleitet werden kann. Auf diese Weise wird gemäß dem Konzept des Thermo Compound- Verfahrens die Energie des Abgasstroms A, A in zwei Stufen genutzt bzw. zurückgewonnen. Die erste Stufe stellt hierbei das Verdichten von Ladeluft L durch einen Abgasturbolader 160 dar. Die zweite Stufe stellt die Erzeugung einer rotatorischen Bewegung aus der restlichen Energie des Abgasstromes A durch eine Nutzturbine 200' und die Übertragung dieser rotatorischen Bewegung auf die Kurbelwelle 400 ^* des Motors 1200 ^* dar.

Fig. 3A zeigt eine schematische Darstellung einer Laderanordnung einer weiteren bevorzugten Weiterbildung gemäß dem Konzept der Erfindung mit einstufigem Verdichter. Hierbei wird ein Abgasstrom A aus einem Motor 1200, insbesondere vollständig, auf eine Nutzturbine 200 geleitet. Die durch die Beaufschlagung der Nutzturbine 200 mit dem Abgasstrom A erzeugte Drehbewegung wird über eine Turbinen- Abtriebswelle 202 auf eine Turbinenkupplung 250 übertragen. Dort findet gemäß dem bereits erläuterten vorteilhaften Konzept einer hydrodynamischen Kupplung eine Übertragung der Drehbewegung zwischen einem drehstarr mit der Turbinen- Abtriebswelle 202 verbundenen ersten Kupplungspartner und einem drehstarr mit einer Nutzturbinen-Getriebe-Antriebswelle 204 verbundenen zweiten Kupplungspartner statt. Vorliegend weist die Turbinenkupplung 250 weiterhin einen Freilauf auf, um in dem Fall, dass die Drehzahl der Turbinen- Abtriebswelle 202 niedriger ist als die Drehzahl der Nutzturbine- Getriebe- Antriebswelle 204, den Leistungsfluss bzw. die Übertragung eines Drehmoments zu unterbinden. Auf diese Weise wird vorteilhaft verhindert, dass die Nutzturbine 200 eine bremsende Wirkung auf den Motor 1200 ausübt. Über die Nutzturbinen-Getriebe- Antriebswelle 204 wird die Drehbewegung anschließend weiter auf ein Nutzturbinen-Getriebe 280 übertragen, in dem die Drehzahl der Drehbewegung angepasst wird, insbesondere untersetzt wird, so dass sie anschließend gemäß dem Konzept der Erfindung auf eine Kurbelwelle 400 des Motors 1200 übertragen werden kann und auf diese Weise die aus dem Abgasstrom A gewonnene Energie in Form von mechanischer Energie in den Motor 1200 zurückübertragen werden kann. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Motors vorteilhaft erhöht. Weiterhin wird, auch dies gemäß dem Konzept der Erfindung, die Drehbewegung der Kurbelwelle 400, welche insbesondere durch den Motor 1200 sowie durch die Nutzturbine 200 erzeugt wird, auf ein Verdichter- Getriebe 380 übertragen. In dem Verdichter-Getriebe 380 wird die Drehzahl der Drehbewegung der Kurbelwelle 400 angepasst, insbesondere übersetzt, so dass sie zum Antrieb eines Verdichters 300 geeignet, insbesondere ausreichend hoch, ist. Von dem Verdichter-Getriebe 380 wird die Drehbewegung über eine Verdichter-Getriebe- Abtriebswelle 304 weiter auf eine Verdichter-Kupplung 350 übertragen. Die Verdichterkupplung 350 ist vorliegend als hydrodynamische Kupplung ausgebildet, die somit die bereits erläuterten Vorteile, insbesondere die dämpfenden und drehzahlangleichenden Eigenschaften, aufweist und weiterhin füllungsgesteuert ist. Durch diese füllungsgesteuerte Eigenschaft der Verdichterkupplung 350 ist es, wie in Fig. 4 weiter beschrieben, insbesondere möglich, die Drehzahl und somit die Leistung des Verdichters 300 bedarfsgerecht im Betrieb an aktuelle Bedingungen, insbesondere den Leistungs- bzw. Ladeluftbedarf des Motors 1200, anzupassen. Von der Verdichterkupplung 350 wird die Drehbewegung schließlich über eine Verdichter- Antriebswelle 302 auf den Verdichter 300 übertragen. Dieser vorliegend als Strömungsverdichter ausgebildete Verdichter 300 verdichtet einen Ladeluftstrom L, der anschließend dem Motor 1200 zugeführt wird. Gleichwohl ist es möglich, dass der Verdichter 300 als Verdrängungsverdichter ausgebildet ist. Verdrängungsverdichter können generell höhere Drücke realisieren, so dass insbesondere eine zweistufige Verdichteranordnung, wie sie nachfolgend in Fig. 3B beschrieben ist, nicht notwendig ist.

Fig. 3B zeigt eine schematische Darstellung einer Laderanordnung einer weiteren bevorzugten Weiterbildung gemäß dem Konzept der Erfindung mit zweistufigem Verdichter. Die in Fig. 3B dargestellte Weiterbildung unterscheidet sich von der in Fig. 3A dargestellten Weiterbildung im Wesentlichen dadurch, dass der Verdichter 300 zweistufig ausgebildet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass das Verdichten des Ladeluftstrom L zweistufig, nämlich in einer ersten Stufe durch einen Niederdruck-Lader 320 und in einer zweiten Stufe durch einen Hochdruck-Lader 340 erfolgt. Um den Niederdruck-Lader 320 mit einer anderen, insbesondere niedrigeren, Drehzahl anzutreiben als den Hochdruck-Lader 340, weist die vorliegende Weiterbildung ein Niederdruck-Lader-Getriebe 322 auf. Das Niederdruck-Lader-Getriebe 322 weist wiederum ein Abtriebswellen-Rad 310 auf, welches vorliegend auf die Verdichter-Getriebe- Antriebswelle 304' drehstarr aufgesetzt ist. Das Abtriebswellen-Rad 310 ist vorliegend als Zahnrad ausgebildet, welches sich im Eingriff mit einem weiteren Zahnrad des Niederdruck-Lader-Getriebes 322, einem Antriebswellen-Rad 308, befindet. Das Antriebswellen-Rad 308 ist wiederum drehstarr, d.h. momentenübertragend, mit einer Niederdruck-Lader-Antriebswelle 306 verbunden. Auf diese Weise wird der Niederdruck-Lader 320 mit entsprechend angepasster, insbesondere untersetzter, Drehzahl angetrieben.

Vorliegend ist das Abtriebswellen-Rad 310 direkt am Verdichter-Getriebe 380, d.h. in Richtung des Abtriebs vor der Verdichterkupplung 350 angeordnet. Dies impliziert, dass der Niederdruck- Lader 320 ständig angetrieben wird, während der Hochdruck-Lader 340 mittels der Verdichterkupplung 350, kuppel- und insbesondere regelbar mit der Verdichter-Getriebe- Abtriebswelle 304' verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die Drehzahl und insbesondere die Verdichtungsleistung des Hochdruck-Laders 340 im Betrieb einstellen bzw. regeln. Gleichwohl ist es ebenso möglich, das Abtriebswellen-Rad 310 in Richtung des Abtriebs hinter der Verdichterkupplung 350, nämlich an der Verdichter-Antriebswelle 302, anzuordnen. Auf diese Weise würden beide Stufen des Verdichters 300, nämlich der Niederdruck-Lader 320 und der Hochdruck-Lader 340, durch die Verdichterkupplung 350 kuppel- und insbesondere regelbar mit der Verdichter-Getriebe- Abtriebswelle 304' verbunden sein.

Fig. 4 zeigt eine stark vereinfachte Detailansicht einer füllungsgesteuerten hydrodynamischen Kupplung, wie sie vorliegend durch die Turbinenkupplung 250 bzw. die Verdichterkupplung 350 gebildet ist. Innerhalb eines fluiddichten Kupplungsgehäuses 256 befindet sich in einem Kupplungsraum 258 ein drehbeweglich gelagerter, antriebsseitiger erster Kupplungspartner 252. Dieser wird von einer Antriebswelle, in diesem Falle die Turbinen- Abtriebswelle 202 bzw. die Verdichter-Getriebe-Abtriebswelle 304, angetrieben. Dieser erste Kupplungspartner 252 wird auch als Pumpenrad bezeichnet. Zu dem ersten Kupplungspartner 252 koaxial ausgerichtet ist ein zweiter Kupplungspartner 254 in axialem Abstand zu diesem innerhalb des Kupplungsraums 258 angeordnet. Dieser zweite Kupplungspartner 254 wird auch als Turbinenrad bezeichnet. Gemäß dem Funktionsprinzip einer hydrodynamischen Kupplung wird der von der Antriebswelle angetriebene erste Kupplungspartner 252 in Drehbewegung versetzt und überträgt diese Drehbewegung an ein Kupplungsfluid 262, welches sich innerhalb des Kupplungsraums 258 befindet. Die Drehbewegung des ersten Kupplungspartners 252 resultiert somit in einer Strömungsbewegung des Kupplungfluids 262. Für eine möglichst wirkungsvolle Übertragung der Drehbewegung auf das Kupplungsfluid 262 weist der erste Kupplungspartner 252 hierfür insbesondere geeignete, in axialer Richtung abstehende und hier nicht näher dargestellte Schaufeln oder ähnliche Umlenkmittel auf. Die erzeugte Strömungsbewegung des Kupplungsfluids 262 wird somit auf den zweiten Kupplungspartner 254 übertragen. Für eine effektive Übertragung der Bewegung weist der zweite Kupplungspartner 254 analog zum ersten Kupplungspartner 252 ebenfalls hierfür insbesondere geeignete, in axialer Richtung abstehende Schaufeln oder ähnliche Umlenkmittel auf. Die auf diese Weise übertragende Drehbewegung wird über eine Abtriebswelle, in diesem Falle die Nutzturbinen-Getriebe- Antriebswelle 204 bzw. die Verdichter-Antriebswelle 302 aus der Kupplung 250, 350 ausgeleitet. Weiterhin ist die vorliegend dargestellte Kupplung 250, 350 füllungsgesteuert. Hierzu weist sie eine Kupplungsfluid-Zuleitung 260 auf, mittels welcher der Kupplungsraum 258 innerhalb des Kupplungsgehäuses 256 mit Kupplungsfluid 262 geflutet und entleert werden kann. Auf diese Weise kann insbesondere im Betrieb die Übertragungsleistung der Kupplung 250, 350 durch Verändern der Menge des Kupplungsfluids 262 im Kupplungsraum 258 angepasst werden. Auf diese Weise kann, insbesondere durch einen hier nicht dargestellten Regelkreis, die Leistung des Verdichters 300 je nach benötigter Leistung des Motors 1200 bzw. benötigter Ladeluftmenge angepasst werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

100, 100" Laderanordnung

150 Kupplungsanordnung

160 Abgasturbolader

162 Abgasturbolader- Welle

180 Abgasturbolader-Turbine

200, 200', 200" Nutzturbine

202, 202' Turbinen- Abtriebswelle

204 Nutzturbinen-Getriebe- Antriebswelle

206 Nutzturbinen-Getriebe- Abtriebswelle

212 Generator- Antriebswelle

220 Turbinenseitiger Generator

221 Turbinenseitige Generatorleitung

222 Turbinenseitige Motorleitung

224 Verdichterseitiger Generator

225 Verdichterseitige Generatorleitung

226 Verdichterseitige Motorleitung

230 Turbinenseitiger Motor

234 Verdichterseitiger Motor

240 Turbinen-Regler

241 Sollwerte für den Turbinen-Regler

242 Turbinenseitiger Generatorstrom

243 Geregelter turbinenseitiger Generatorstrom

244 Verdichter-Regler

245 Sollwerte für den Verdichter-Regler

246 Verdichterseitiger Generatorstrom

247 Geregelter verdichterseitiger Generatorstrom

250, 250' Turbinenkupplung

252 Erster Kupplungspartner, Pumpenrad

254 Zweiter Kupplungspartner, Turbinenrad

256 Kupplungsgehäuse

258 Kupplungsraum

260 Kupplungsfluid-Zuleitung 262 Kupplungsfluid

280, 280' Nutzturbinen-Getriebe

300, 300', 300" Verdichter

302 Verdicht er- Antriebswelle

304, 304' Verdichter-Getriebe-Abtriebswelle

306 Niederdruck-Lader- Antriebswelle

308 Antriebswellen-Rad

310 Abtriebswellen- Rad

312 Verdicht er- Antriebswelle

320 Niederdruck-Lader

322 Niederdruck-Lader-Getriebe

340 Hochdruck-Lader

350 Verdichterkupplung

380 Verdichter-Getriebe

400, 400', 400" Kurbelwelle

900 Einrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine

910 Regel- und Prozessormittel

1000, 1000', Brennkraftmaschine

1000"

1200, 1200', Motor

1200"

A, Α', A" Abgasstrom

L, L ' , L " Ladeluftstrom

RK Rotatorische Bewegung der Kurbelwelle

RM Rotatorische Bewegung des turbinenseitigen Motors

RT Rotatorische Bewegung der Nutzturbine, Erste rotatorische Bewegung

RV Rotatorische Bewegung für den Verdichter, Zweite rotatorische Bewegung