DE102015205590A1 - Supercharged internal combustion engine with mechanical supercharger and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einer Kurbelwelle, – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, – einem mechanischen Lader (8), der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle (8a) angeordnetes Laufrad verfügt, und – einem Zugmitteltrieb (10), der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad (10a) umfasst, wobei das zweite Rad (10a) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rad (10a) mittels eines Planetengetriebes (1) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei – ein außenverzahntes Sonnenrad (4) des Planetengetriebes (1) drehfest auf der Antriebswelle (8a) angeordnet ist, – mindestens drei außenverzahnte Planetenräder (3) vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad (4) und einem die Planetenräder (3) umgebenden innenverzahnten Hohlrad (2) in Eingriff befinden, – das zweite Rad (10a) des Zugmitteltriebs (10) mittels eines Gestänges (5) mit den Planetenrädern (3) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei jedem Planetenrad (3) eine Welle (5a) des Gestänges (5) zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad (3) drehbar gelagert ist, und – ein elektrischer Antrieb (6) vorgesehen ist, um das Hohlrad (2) in Drehung zu versetzen.A supercharged internal combustion engine with - a crankshaft, - an intake system for supplying charge air, - a mechanical supercharger (8) which is arranged in the intake system and which has at least one arranged on a rotatable drive shaft (8a) impeller, and - a traction mechanism drive (10 ), which comprises, in addition to the traction means, a first wheel arranged on the crankshaft of the internal combustion engine and a load-side second wheel (10a), wherein the second wheel (10a) is at least drive-connectable with the drive shaft (8a), characterized in that the second wheel ( 10a) by means of a planetary gear (1) with the drive shaft (8a) is at least drive-connected, - an externally toothed sun gear (4) of the planetary gear (1) rotatably on the drive shaft (8a) is arranged, - at least three externally toothed planet wheels (3) are, with the sun gear (4) and a planetary gears (3) surrounding internal gear ring (2) in A the second wheel (10a) of the traction mechanism drive (10) is at least drive-connected to the planetary gears (3) by means of a linkage (5), each planetary gear (3) being associated with a shaft (5a) of the linkage (5), on which the respective planet gear (3) is rotatably mounted, and - an electric drive (6) is provided to enable the ring gear (2) in rotation.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einer Kurbelwelle,
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- – einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle angeordnetes Laufrad verfügt, und
- – einem Zugmitteltrieb, der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad umfasst, wobei das zweite Rad mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist.
- - a crankshaft,
- An intake system for supplying charge air,
- A mechanical supercharger which is arranged in the intake system and which has at least one impeller arranged on a rotatable drive shaft, and
- - A traction mechanism, which except the traction means comprises a arranged on the crankshaft of the internal combustion engine first wheel and a loader-side second wheel, wherein the second wheel is at least drive-connected to the drive shaft.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.In recent years, there has been a trend toward small, supercharged engines, the supercharging being primarily a performance enhancement method that compresses the air needed for the engine combustion process, thereby providing each cylinder with greater air mass per cycle can. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with a suitable transmission design and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler to a better filling of the cylinder, d. H. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Zugmitteltrieb, zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.The advantage of an exhaust gas turbocharger in comparison to a mechanical supercharger is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine. In general, a mechanical connection, such as a traction drive, for power transmission between the supercharger and the internal combustion engine is required.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der hilfsweise mittels Elektromaschine antreibbar ist.The advantage of a mechanical supercharger over an exhaust gas turbocharger is that the mechanical supercharger can generally generate and provide the required boost pressure independently of the current operating state of the internal combustion engine, in particular even at low rotational speeds of the crankshaft. This applies in particular to a mechanical loader which can be driven alternatively by means of an electric machine.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.In fact, according to the state of the art, it is difficult to increase the power by means of turbocharging in all engine speed ranges. It is observed a greater torque drop when falling below a certain speed. This torque drop becomes understandable when is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio, which is why the boost pressure ratio also decreases towards lower rotational speeds. This is synonymous with a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a charged by turbocharging internal combustion engine is trying to improve the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Abblaseleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. For this purpose, the turbine is equipped with a blow-off line which branches off from the exhaust-gas removal system upstream of the turbine and in which a shut-off element is arranged. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is guided past the turbine via the blow-off line as part of the so-called exhaust gas blow-off, d. H. blown off. This approach has the disadvantage that the high-energy blown exhaust gas remains unused and the charging behavior is regularly insufficient at higher speeds.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.A turbine with variable turbine geometry allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section, to some extent a speed-dependent or load-dependent control of the turbine geometry can be done.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may also be represented by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas quantity; similar to a register charge.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Da eine Abgasturboaufladung insbesondere unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader kostenintensiv ist, kann anstelle einer Abgasturboaufladung auch eine Aufladung mittels einem mechanischem Lader vorgenommen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.In addition to an exhaust gas turbocharger, a mechanical supercharger can in principle also be provided. Since an exhaust gas turbocharging is expensive, in particular when using a plurality of exhaust gas turbochargers, instead of an exhaust gas turbocharging, charging by means of a mechanical supercharger can also be carried out. The advantages are those already mentioned above.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen mechanischen Lader. Die aus dem Stand der Technik bekannten mechanischen Lader erfordern hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Ansprechverhaltens noch deutliche Verbesserungen, um den Anforderungen moderner Brennkraftmaschinen mit kleinerem Hubraum gerecht werden zu können.The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least one mechanical charger for charging purposes. The known from the prior art mechanical superchargers require in terms of their performance and their response even clear improvements to meet the requirements of modern internal combustion engines with smaller displacement can.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.In light of the above, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, which overcomes the disadvantages known from the prior art and which has improved charging.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einer Kurbelwelle,
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- – einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle angeordnetes Laufrad verfügt, und
- – einem Zugmitteltrieb, der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad umfasst, wobei das zweite Rad mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Rad mittels eines Planetengetriebes mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist, wobei
- – ein außenverzahntes Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist,
- – mindestens drei außenverzahnte Planetenräder vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad und einem die Planetenräder umgebenden innenverzahnten Hohlrad in Eingriff befinden,
- – das zweite Rad des Zugmitteltriebs mittels eines Gestänges mit den Planetenrädern zumindest antriebsverbindbar ist, wobei jedem Planetenrad eine Welle des Gestänges zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad drehbar gelagert ist, und
- – ein elektrischer Antrieb vorgesehen ist, um das Hohlrad in Drehung zu versetzen.
- - a crankshaft,
- An intake system for supplying charge air,
- A mechanical supercharger which is arranged in the intake system and which has at least one impeller arranged on a rotatable drive shaft, and
- - A traction mechanism, which except the traction means comprises a arranged on the crankshaft of the internal combustion engine first wheel and a loader-side second wheel, the second wheel is at least drive-connected to the drive shaft, which is characterized in that the second wheel by means of a planetary gear with the drive shaft at least drive-connectable, wherein
- An externally toothed sun gear of the planetary gear is non-rotatably mounted on the drive shaft,
- At least three externally toothed planet wheels are provided, which are in engagement with the sun gear and an internal gear ring gear surrounding the planet gears,
- - The second wheel of the traction mechanism is at least drive-connected by means of a linkage with the planetary gears, each planetary gear is associated with a shaft of the linkage, on which the respective planet gear is rotatably mounted, and
- - An electric drive is provided to enable the ring gear in rotation.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt im Antriebsstrang der mechanischen Aufladung zwischen der Kurbelwelle und dem Lader über ein Planetengetriebe zur Leistungsübertragung.The internal combustion engine according to the invention has in the drive train of the mechanical charge between the crankshaft and the supercharger via a planetary gear for power transmission.
Das Planetengetriebe sorgt bei stehendem, d. h. nicht drehendem Hohlrad für eine gewisse Standardübersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Antriebswelle, nämlich dafür, dass sich die Antriebswelle schneller dreht als die Kurbelwelle, d. h. die Drehzahl ncompressor der Antriebswelle höher ist als die Drehzahl ncrankshaft der Kurbelwelle.The planetary gear provides at standing, ie not rotating ring gear for a certain standard ratio between the crankshaft and the drive shaft, namely that the drive shaft rotates faster than the crankshaft, ie the speed n compressor of the drive shaft is higher than the speed n crankshaft the crankshaft ,
Erfindungsgemäß kann nun das Hohlrad des Getriebes unter Verwendung eines elektrischen Antriebs in Drehung versetzt werden, um das Übersetzungsverhältnis i = ncompressor/ncrankshaft zu variieren. According to the invention, the ring gear of the transmission can now be rotated using an electric drive in order to crankshaft the gear ratio i = n compressor / n.
Von besonderer Bedeutung ist dabei die Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses i, wozu das Hohlrad gegensinnig zu den Planetenrädern des Getriebes in Drehung versetzt wird. Diese Maßnahme ermöglicht auch bei niedrigen Motordrehzahlen eine hohe Drehzahl der Laderwelle und damit die Bereitstellung eines ausreichend hohen Ladedrucks bei niedrigen Motordrehzahlen.Of particular importance is the enlargement of the transmission ratio i, to which the ring gear is rotated in opposite directions to the planetary gears of the transmission in rotation. This measure allows even at low engine speeds, a high speed of the supercharger shaft and thus the provision of a sufficiently high boost pressure at low engine speeds.
Darüber hinaus kann das Übersetzungsverhältnis i vorzugsweise auch verkleinert werden, indem das Hohlrad gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung versetzt wird.In addition, the transmission ratio i can preferably also be reduced by the ring gear is rotated in the same direction with the planetary gears in rotation.
Lässt sich die Drehzahl des Hohlrades in beide Drehrichtungen stufenlos variieren, kann das Übersetzungsverhältnis i beliebig, insbesondere bedarfsgerecht, eingestellt werden. Der vom Lader bereitgestellte Ladedruck kann in vorteilhafter Weise mittels Planetengetriebe, d. h. über die Drehung des Hohlrades eingestellt und gesteuert bzw. geregelt werden.If the rotational speed of the ring gear can be varied steplessly in both directions of rotation, the gear ratio i can be adjusted as required, in particular as required. The charge pressure provided by the supercharger can be advantageously achieved by means of planetary gear, d. H. be set and controlled or controlled by the rotation of the ring gear.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Planetengetriebes ist die kurze Verstellzeit des Getriebes, wodurch sich das Ansprechverhalten der Aufladung deutlich verbessert. Auf eine Veränderung der laderseitigen Randbedingungen lässt sich vergleichsweise schnell reagieren.Another advantage of the planetary gear provided according to the invention is the short adjustment time of the transmission, which significantly improves the response of the charge. A change in the load-side boundary conditions can be reacted comparatively quickly.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.With the internal combustion engine according to the invention, the first object of the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the known from the prior art disadvantages are overcome and which has an improved charge.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen drei außenverzahnte Planetenräder vorgesehen sind.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which three externally toothed planetary gears are provided are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie vorgesehen ist, welche die für den elektrischen Antrieb erforderliche elektrische Energie liefert.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a battery is provided, which supplies the electrical energy required for the electric drive, are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Arretiervorrichtung vorgesehen ist, mit der das Hohlrad gegen Drehung fixierbar ist.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which a locking device is provided, with which the ring gear is fixed against rotation.
Eine Arretiervorrichtung gewährleistet eine konstante Standardübersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Antriebswelle bei stillstehendem, sich nicht bewegendem Hohlrad.A locking device ensures a constant standard ratio between the crankshaft and the drive shaft with a stationary, non-moving ring gear.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb geeignet ist, das Hohlrad gegensinnig zu den Planetenrädern in Drehung zu versetzen.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the electric drive is suitable to enable the ring gear in opposite directions to the planetary gears in rotation.
Durch gegensinniges Drehen des Hohlrades zu den Planetenrädern lässt sich das Übersetzungsverhältnis i vergrößern. Auf diese Weise kann der Ladedruck erhöht werden, insbesondere auch bei niedrigen Motordrehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck bereitgestellt werden.By rotating the ring gear in opposite directions to the planetary gears, the transmission ratio i can be increased. In this way, the boost pressure can be increased, in particular at low engine speeds, a sufficiently high boost pressure can be provided.
Lässt sich die Drehzahl des Hohlrades in beide Drehrichtungen stufenlos variieren, kann das Übersetzungsverhältnis i beliebig, insbesondere bedarfsgerecht, eingestellt werden.If the rotational speed of the ring gear can be varied steplessly in both directions of rotation, the gear ratio i can be adjusted as required, in particular as required.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb geeignet ist, das Hohlrad gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung zu versetzen.Also advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the electric drive is suitable to enable the ring gear in the same direction with the planetary gears in rotation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb mindestens ein Zahnrad umfasst, das sich mit dem Hohlrad in Eingriff befindet.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the electric drive comprises at least one toothed wheel engaging the ring gear are advantageous.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb ein Elektromotor ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst.Also advantageous are embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the electric drive is an electric motor comprising a stator and a rotor.
Mittels elektrischen Antriebs lässt sich ein bedarfsgerechter Antrieb des Laders realisieren, wobei man unabhängig ist vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Motordrehzahl.By means of electric drive, a demand-driven drive of the supercharger can be realized, whereby one is independent of the current one Operating state of the internal combustion engine, in particular the engine speed.
Ein Elektromotor eröffnet zudem in einfacher Weise die Möglichkeit, dem Hohlrad eine Umlaufbewegung in unterschiedliche Drehrichtungen aufzuzwingen. So kann beispielsweise durch eine Umkehrung der Richtung des elektrischen Stroms von einer zu den Planetenrädern gegensinnigen Drehbewegung auf eine gleichsinnige Drehbewegung gewechselt werden.An electric motor also opens in a simple way the ability to force the ring gear a rotational movement in different directions of rotation. Thus, for example, by reversing the direction of the electrical current from a direction opposite to the planetary gears rotational movement can be changed to a same direction rotational movement.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Hohlrad den Rotor bildet.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the ring gear forms the rotor are advantageous.
Der feststehende Stator kann bei einem Gleichstrommotor als Dauermagnet ausgeführt werden. Alternativ erfolgt eine Fremderregung über eine Erregerspule, wie beim Wechselstrommotor. Wird Strom durch die Spule geleitet, baut sich ein Magnetfeld auf.The stationary stator can be designed as a permanent magnet in a DC motor. Alternatively, a foreign excitation via an excitation coil, as in the AC motor. When current is passed through the coil, a magnetic field builds up.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.Therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the stator comprises an energizable coil for establishing a magnetic field are also advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die bestrombare Spule das als Rotor dienende Hohlrad umgibt.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the energizable coil surrounds the ring gear serving as a rotor are advantageous.
Im Inneren des Stators ist ein Rotor angeordnet, der drehbar im Magnetfeld des Stators angeordnet und gelagert ist. Der Rotor kann ebenfalls über eine Spule mit als Anker dienendem Eisenkern verfügen. Wird der Rotor dann bestromt, baut sich auch im Rotor ein Magnetfeld auf, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt, so dass sich der Rotor dreht. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie bzw. eine Bewegung des Rotors und damit der Laderwelle umgewandelt werden. Das Magnetfeld im Rotor steht relativ zum Stator fest.Inside the stator, a rotor is arranged, which is rotatably arranged and supported in the magnetic field of the stator. The rotor may also have a coil with iron core serving as the armature. If the rotor is then energized, a magnetic field also builds up in the rotor, which interacts with the magnetic field of the stator so that the rotor rotates. In this way, electrical energy can be converted into kinetic energy or a movement of the rotor and thus of the supercharger shaft. The magnetic field in the rotor is fixed relative to the stator.
Vorteilhaft können somit Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Hohlrad eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.Thus, embodiments of the supercharged internal combustion engine can be advantageous, in which the ring gear comprises a bestrombare coil for establishing a magnetic field.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Hohlrad mindestens einen Dauermagneten zur Ausbildung eines Magnetfeldes umfasst. Dann muss der Stator aber eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.However, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the ring gear comprises at least one permanent magnet for forming a magnetic field are also advantageous. Then, however, the stator must comprise an energizable coil for building up a magnetic field.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betreffend eine bestrombare Rotorspule, welche eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors erfordert, handelt es sich vorliegend um eine Variante, welche keine Stromumkehr und damit keine Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist weniger komplex, weist einen geringeren Raumbedarf auf und eignet sich daher für Anwendungen mit wenig Bauraum, wie der vorliegenden Anwendung. Ein weiterer Vorteil des Dauermagneten ist das höhere Rastmoment bei deaktiviertem Elektromotor, d. h. bei nicht bestromter Statorspule, d. h. Erregerspule.In contrast to the previously described embodiment relating to an energizable rotor coil, which requires a clocked power supply to the rotating coil of the rotor, in the present case is a variant which requires no current reversal and thus no brushes. This type of electric motor is less complex, has a smaller footprint and is therefore suitable for applications with little space, such as the present application. Another advantage of the permanent magnet is the higher cogging torque when the electric motor is deactivated, d. H. when the stator coil is not energized, d. H. Excitation coil.
Dann kann der nicht bestromte Stator die Funktion einer Arretiervorrichtung übernehmen und das Hohlrad gegen Drehung fixieren.Then the non-energized stator can take over the function of a locking device and fix the ring gear against rotation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mechanischen Laders ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a charge air cooler is arranged in the intake system downstream of the mechanical supercharger are advantageous. The charge air cooler lowers the air temperature and thus increases the density of the charge air, whereby the cooler to a better filling of the combustion chamber with air, d. H. contributes to a larger air mass.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.Embodiments of the supercharged internal combustion engine having at least one exhaust gas turbocharger including a turbine disposed in the exhaust gas discharge system and a compressor disposed in the intake system, wherein the turbine and the compressor are disposed on the same rotatable shaft, are provided in internal combustion engines having an exhaust gas discharge system for discharging the exhaust gases.
Werden der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und der Lader in Reihe angeordnet, kann der Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet sein.If the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger and the supercharger are arranged in series, the compressor can be arranged downstream or upstream of the mechanical supercharger in the intake system.
Vorteilhaft sind daher unter anderem Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromabwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Vorliegend dient der Verdichter des Abgasturboladers als Hochdruckstufe, bei dem ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich wird, so dass auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird.Among other things, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger is arranged downstream of the mechanical supercharger in the intake system are advantageous. In the present case, the compressor of the exhaust gas turbocharger serves as a high-pressure stage, in which a shift of the surge line to smaller compressor streams is possible, so that even at low compressor flows high boost pressure ratios can be achieved and the torque characteristics in the lower speed range is significantly improved.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Hierbei dient der mechanische Lader als Hochdruckstufe und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers als Niederdruckstufe, der auf große Verdichterströme auszulegen ist, d. h. entsprechend zu dimensionieren ist.But can also be advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the mechanical supercharger in the intake system. Here, the mechanical supercharger serves as a high pressure stage and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger as a low-pressure stage, which is to be designed for large compressor flows, that is to be dimensioned accordingly.
Der Lader wird erfindungsgemäß bei stillstehendem Hohlrad rein mechanisch von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine via Zugmitteltrieb und Planetengetriebe angetrieben. Der elektrische Antrieb dient primär dazu, das Hohlrad in Drehung zu versetzen und auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis i zu ändern. Nichtsdestotrotz besteht die Möglichkeit, den Lader rein elektrisch unter Verwendung des elektrischen Antriebs zu betreiben, wodurch sich die Flexibilität der Aufladung erhöht.The loader according to the invention with a stationary ring gear purely mechanically driven by the crankshaft of the internal combustion engine via traction drive and planetary gear. The electric drive is primarily used to set the ring gear in rotation and to change in this way the transmission ratio i. Nevertheless, it is possible to operate the charger purely electrically using the electric drive, thereby increasing the flexibility of charging.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Kurbelwelle und dem Gestänge eine Kupplung zur Unterbrechung eines Kraftflusses vorgesehen ist.Therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a clutch for interrupting a power flow is provided between the crankshaft and the linkage are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kupplung zwischen dem zweiten Rad und dem Gestänge vorgesehen ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the clutch is provided between the second wheel and the linkage are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kupplung eine elektromagnetische Kupplung ist. Eine elektromagnetische Kupplung zeichnet sich durch die schnellen Schaltzeiten aus. Dies ermöglicht ein schnelles Schließen und Öffnen, d. h. ein schnelles Aktivieren und Deaktivieren der Kupplung.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the clutch is an electromagnetic clutch are advantageous. An electromagnetic clutch is characterized by the fast switching times. This allows a quick closing and opening, d. H. a quick activation and deactivation of the clutch.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Laders in das Ansaugsystem mündet.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided, which includes a line which opens into the intake system downstream of the supercharger, are advantageous.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die durch den Lader geführte und komprimierte Ladeluft bezeichnet.To meet future limits for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation is increasingly used. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined by x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the charge air guided and compressed by the supercharger.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.Embodiments in which the line for exhaust gas recirculation leads downstream of a charge air cooler into the intake system are advantageous. In this way, the exhaust gas flow is not passed through the intercooler and consequently can not pollute this radiator by deposits of pollutants contained in the exhaust stream, in particular soot particles and oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.Embodiments in which an additional cooler is provided in the exhaust gas recirculation line are advantageous. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust gas flow and thus increases the density of the exhaust gases. The temperature of the cylinder fresh charge, which occurs in the mixture of fresh air with the recirculated exhaust gases, is consequently further reduced, whereby the additional radiator contributes to a better filling of the combustion chamber with charge air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.Embodiments in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Hohlrad mittels dem elektrischen Antrieb in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i = ncompressor/ncrankshaft zu beeinflussen, wobei ncompressor die Drehzahl der Antriebswelle und ncrankshaft die Drehzahl der Kurbelwelle bezeichnet.The second sub-task on which the invention is based, namely to disclose a method for operating a supercharged internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method which is characterized in that the ring gear is rotated by means of the electric drive to produce the transmission ratio i = n compressor / n crankshaft , where n compressor is the speed of the drive shaft and n crankshaft the speed of the crankshaft.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why at this point in general reference is made to the statements made above with regard to the internal combustion engine according to the invention. The different internal combustion engines sometimes require different process variants.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Hohlrad mittels elektrischen Antriebs gegensinnig zu den Planetenrädern in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu vergrößern.Advantageous embodiments of the method in which the ring gear is rotated by means of electric drive in opposite directions to the planetary gears in rotation in order to increase the gear ratio i.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Hohlrad mittels elektrischen Antriebs gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu verkleinern.Embodiments of the method may also be advantageous in which the ring gear is rotated in the same direction as the planetary gears by means of an electric drive in order to reduce the transmission ratio i.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den
Dargestellt ist ein Fragment des Antriebs eines mechanischen Laders
Das zweite Rad
Bei stehendem, d. h. nicht drehendem Hohlrad
Vorliegend ist ein elektrischer Antrieb
Als elektrischer Antrieb
Wird Strom durch die Spule
Der Dauermagnet
Dem Hohlrad
Im Unterschied zu der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Planetengetriebe planetary gear
- 22
- Hohlrad ring gear
- 33
- Planetenrad planet
- 44
- Sonnenrad sun
- 55
- Gestänge linkage
- 5a5a
- Gestängewelle eines Planetenrades Linkage shaft of a planetary gear
- 66
- elektrischer Antrieb electric drive
- 6a6a
- außenverzahntes Antriebsrad externally toothed drive wheel
- 77
- Elektromotor electric motor
- 7a7a
- Rotor rotor
- 7b7b
- Stator stator
- 88th
- mechanischer Lader mechanical loader
- 8a8a
- Antriebswelle des Laders, Laderwelle Drive shaft of the loader, loader shaft
- 9a9a
- Dauermagnet permanent magnet
- 9b9b
- elektrisch bestrombare Spule electrically energized coil
- 1010
- Zugmitteltrieb traction drive
- 10a10a
- zweites Rad second wheel
- ncrankshaft n crankshaft
- Drehzahl der Kurbelwelle Speed of the crankshaft
- ncompressor n compressor
- Drehzahl der Antriebswelle Speed of the drive shaft
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2008/0173017 A1 [0003] US 2008/0173017 A1 [0003]
Claims (20)
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-
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|---|---|---|---|
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Representative=s name: DOERFLER, THOMAS, DR.-ING., DE |
|
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