DE10056430A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Radialverkehr, dessen Laufrad triebmäßig mit einem Rotor eines Elektromotors verbunden ist, wobei der Elektromotor durch eine elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit von Betriebsparametern gesteuert und/oder geregelt wird. Es wird vorgeschlagen, dass in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die gesamte Verbrennungsluft über den Radialverdichter zur Brennkraftmaschine gefördert wird und der Elektromotor der einzige Antrieb des Laufrads ist. So kann mit einem kleinen Gerät die Charakteristik des Drehmoments der Brennkraftmaschine den Leistungsanforderungen mit einem guten dynamischen Verhalten angepasst werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Für selbstzündende als auch fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsregelung oder Quantitätsregelung werden in der Regel Abgasturbolader eingesetzt, um die Leistung zu steigern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsenergie der Verbren­ nungsgase vermehrt genutzt wird.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfachen Aufbau und einer langen Lebens­ dauer. Sie bestehen aus einer Abgasturbine, die triebmäßig mit einem Radialverdichter verbunden ist. Nachteilig ist, dass die Abgasturbine schlecht zu regeln ist und dass in manchen Betriebsbereichen, in denen die Brennkraftmaschine einen erhöhten Ladedruck benötigt, keine ausreichende Abgasmenge zur Verfügung steht, um ohne Verzögerung den Radialverdichter hochfahren zu können.

Aus der DE 195 18 317 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrisch unter­ stützten Turboladers bekannt, bei der zwischen einer Abgasturbine und einem Radialverdichter auf einer Verbindungswelle der Laufräder ein Rotor eines Elektromotors angeordnet ist. Mit Hilfe des Elektromo­ tors, der ein zwölfpulsiger Asynchronmotor ist, kann der Radialverdichter unabhängig von dem jeweiligen Anfall an Abgas auf eine entsprechende Drehzahl gebracht wer den, so dass in Abhängigkeit von beliebi­ gen Betriebsparametern ein gewünschter Ladedruck erzeugt werden kann. Hierzu dient eine Rege­ lungselektronik, die mit einem Ladedrucksensor über eine Leitung verbunden ist, der zwischen einem Auslass des Radialverdichters und einem Einlass der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Weitere Eingangsgrößen der Regelungselektronik sind die Motordrehzahl, die Gaspedalstellung, ein Anlasser­ signal und ein Motorbremsschalter. Der Elektromotor, der auch als Generator betrieben werden kann, besitzt ein Motorgehäuse, in dem ein Stator und ein Rotor untergebracht ist. Zum Kühlen des Elektro­ motors ist im Bereich des Stators das Motorgehäuse von axial angeordneten Kühlkanälen durchzogen.

Ferner ist radial einwärts zum Stator hin ein Ringmantel vorgesehen, der ebenfalls von dem Kühlmedium durchströmt wird.

Obwohl die Rotormasse des zwölfpulsigen Asynchronmotors gegenüber konventionellen Drehstrom­ motoren nur halb so groß ist und sein Massenträgheitsmoment nur ein Viertel ausmacht, ist die Ge­ samtmasse der Laufräder, der Verbindungswelle und des Rotors und damit sein Massenträgheitsmo­ ment immer noch so groß, dass sich kein zufrieden stellendes dynamisches Ansprechverhalten ergibt. Außerdem unterliegt die Antriebsleistung der Abgasturbine großen Schwankungen, so dass sich unter Berücksichtigung des trägen Betriebsverhaltens eine komplexe und träge Steuerung des Elektromotors ergibt.

Aus der DE A1 36 23 676 ist ein Abgasturbolader bekannt, der zusätzlich von der Brennkraftmaschine über ein hydrostatisches Getriebe und ein mechanisches Getriebe mit einem Freilauf angetrieben wird. Dabei kann der Freilauf unmittelbar auf der Verbindungswelle zwischen der Abgasturbine und dem Radialverdichter angeordnet sein, so dass der zusätzliche Antrieb vom Antrieb der Abgasturbine entkop­ pelt ist. Diese Lösung ist sehr aufwändig, da eine Hydraulikpumpe, ein Hydraulikmotor und ein mechani­ sches Getriebe mit einer entsprechenden Steuerung und Regelung erforderlich sind. Ferner beanspru­ chen die Aggregate einen bedeutenden Bauraum, der in Kraftfahrzeugen nicht immer zur Verfügung steht. Schließlich ist das Hydrauliksystem mit seinen hohen Drücken eine ständige Gefahrenquelle für die Umwelt, da bei Leckagen oder Unfällen die Umwelt belastendes Hydraulikmedium in die Umgebung gelangen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Aufladung einer Brennkraftmaschine zu verbessern, so dass die erforderliche Menge an Verbrennungsluft mit einfachen Mitteln und einem guten Wirkungsgrad über den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine mit einem gewünschten Druck zur Verfü­ gung gesteift wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung wird in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine die gesamte Verbrennungs­ luft über den Radialverdichter zur Brennkraftmaschine gefördert, wobei der Elektromotor der einzige Antrieb des Laufrads des Radialverdichters ist. Dadurch ist der Antrieb des Radialverdichters gegenüber einem mechanisch von der Brennkraftmaschine oder über eine Abgasturbine angetriebenen Radialver­ dichter unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der zur Verfügung stehenden Ab­ gasenergie, so dass der Ladedruck in einer Ladedruckleitung hinter dem Radialverdichter sowie die Luftmenge, die durch die Ladeluftleitung strömt, frei nach den Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine eingestellt werden kann. Somit lässt sich die Charakteristik des Drehmoments der Brenn­ kraftmaschine in bestimmten Grenzen frei vorgeben und in der elektronischen Steuereinheit ablegen, wobei die Charakteristik des Drehmoments dynamisch in Abhängigkeit von Zustandsgrößen und Kenn­ werten veränderbar sein kann.

Da immer nur so viel Luft mit einem solchen Druckniveau gefördert wird, wie es zu einem optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich ist, kann auf eine Abblasvorrichtung, wie sie bei Abgastur­ boladern üblich ist, verzichtet werden. Durch den guten Wirkungsgrad und insbesondere durch die frei wählbare Charakteristik des Drehmoments der Brennkraftmaschine ist es möglich, dass Brennkraftma­ schinen mit weniger Hubraum einen vergleichbaren Drehmomentverlauf gegenüber bekannten Ausfüh­ rungen aufweisen. Dadurch können leichtere Brennkraftmaschinen für die gleichen Anwendungsfälle eingesetzt werden.

Das dynamischen Ansprechverhalten des Radialverdichters ist ausgezeichnet, weil die rotierenden Massen nur aus dem Laufrad des Radialverdichters und dem Rotor des Elektromotors sowie den zuge­ hörigen Wellen bestehen. Für diesen Zweck eignet sich als Elektromotor besonders ein Reluktanzmo­ tors, dessen Rotor sehr klein. Außerdem ist er robust und für die erforderlichen Drehzahlen bis zu 140 000 Umdrehungen pro Minute geeignet. Ferner ist es möglich, dass bei quantitätsgeregelten Brenn­ kraftmaschinen der Radialverdichter als Drosselorgan dient und so eine Drosselklappe entfallen kann. Der Luftdurchsatz wird dabei vollständig durch das Turbinenrad bestimmt und die erforderliche Kraft­ stoffmenge entsprechend der Luftmasse der Verbrennungsluft eingespritzt. Der Elektromotor für den Antrieb des Laufrads ersetzt somit den elektrischen Stellmotor für ein elektronisches Gaspedal.

Um das Laufrad des Radialverdichters während einer Verzögerung der Brennkraftmaschine schnell abbremsen zu können, ist es zweckmäßig, eine Bremsvorrichtung vorzusehen, die auf das Laufrad oder ein damit gekoppeltes Bauteil wirkt, z. B. auf die Welle des Radialverdichters. Außerdem kann der Elek­ tromotor in einem solchem Betriebsfall eine Bremsfunktion übernehmen, indem er als Generator betrie­ ben wird, wobei er durch eine geeignete Schaltung des Magnetfelds gebremst wird.

In gewissen Betriebsbereichen, in denen die Brennkraftmaschine zweckmäßigerweise als Saugmotor betrieben wird, kann es nützlich sein, dass das Laufrad des Radialverdichters durch die einströmende Luft in Rotation versetzt wird und frei mitläuft. Hierfür wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine schaltbare Kupplung vorgesehen, durch die die Verbindung zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem Laufrad des Radialverdichters getrennt werden kann. Die Kupplung wird im Rahmen eines Ge­ samtantriebskonzepts von der Steuereinheit angesteuert.

Zweckmäßigerweise bilden der Elektromotor und der Radialverdichter und/oder die Bremsvorrichtung und/oder die Kupplung eine Baueinheit, die leicht an jede Brennkraftmaschine angeschlossen werden kann. Sie weist neben einer kleinen Baugröße ein geringes Gewicht und ein gutes dynamisches An­ sprechverhalten auf. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Rotor und der Stator des Elektromotors vor dem Einbau in Kunststoff vergossen sind, um kleine geometrische Fertigungstoleranzen und Wuchttoleranzen leichter einhalten zu können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln be­ trachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Radialverdich­ ter, der von einem Elektromotor angetrieben ist und

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Radialverdichter mit einem Elektromotor.

Ein Elektromotor 8, insbesondere ein Reluktanzmotor, treibt einen Radialverdichter 6 an, der über eine Ansaugleitung 5 Luft aus der Umgebung ansaugt und die verdichtete Luft über eine Ladeluftleitung 4 und gegebenenfalls über einen Ladeluftkühler 7 sowie Ansaugstutzen 3 zu einer Hubkolbenbrennkraftma­ schine 1 fördert. Diese besitzt mehrere Zylinder 2, in die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 14 über eine Druckleitung 16 und Einspritzventile 17 Kraftstoff einspritzt. Bei einer Qualitätsregelung der Brennkraft­ maschine 1 wird die Menge des eingespritzten Kraftstoffs geändert, wobei sich das Kraftstoffluftverhältnis ändert. Bei einer Quantitätsregelung wird das Kraftstoffluftverhältnis im Wesentlichen beibehalten und die Menge des Kraftstoff-Luftgemisches durch Drosselorgane geändert. Im vorliegenden Fall dient der Radialverdichter 6 als Drosselorgan, indem durch eine entsprechende Drehzahlregelung die erforderliche Luftmenge und der gewünschte Ladedruck eingestellt wird. Die während der Verbrennung der Zylinder­ ladung entstehenden Abgase gelangen über Abgaskrümmer 11 und eine Abgasleitung 10 ins Freie. Durch einen erhöhten Ladedruck ergibt sich eine bessere Füllung der Zylinder 2 und ein höheres Drehmoment der Brennkraftmaschine 1. Somit kann innerhalb zulässiger Grenzen die Charakteristik des Drehmoments den Betriebserfordernissen angepasst werden, indem die Drehzahl des Elektromotor 8 entsprechend gesteuert und/oder geregelt wird. Die Brennkraftmaschine 1 treibt über eine Anfahrkupp­ lung 18 und ein Getriebe 19 ein nicht näher dargestelltes Fahrzeug an.

Zur Steuerung und Regelung der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 ist eine elektronische Steuereinheit 13 vorgesehen, die über Signalleitungen 15 mit der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 14, der Anfahrkupplung 18, dem Getriebe 19, dem Elektromotor 8, einem Ladedrucksensor und/oder Luftmengenmesser 42, einer schaltbaren Kupplung 9, einer Bremsvorrichtung 21 und einem Gaspedal 12 verbunden ist. Das Gaspe­ dal 12 wird von einem Fahrer betätigt. Sein Positionswinkel ϕ entspricht dem Leistungswunsch des Fahrers und in erster Näherung der Einspritzmenge des Kraftstoffs oder der Menge des Kraftstoff- Luftgemisches, die durch die Steuereinheit 13 bestimmt werden. Daher ist der Positionswinkel ϕ oder ein entsprechendes Signal ein wichtiges Eingangssignal für die Steuereinheit 13. Ebenfalls werden zweck­ mäßigerweise Veränderungen des Positionswinkels ϕ, z. B. die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung oder höhere Ableitungen nach der Zeit erfasst oder berechnet und für die Regelung ausgewertet. Ferner dienen als Eingangsgrößen die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 sowie der Ladedruck und die geför­ derte Luftmenge, die über ein Messgerät 42, z. B. einem Drucksensor oder Luftmengenmesser, in der Ladeluftleitung 4 zweckmäßigerweise kurz vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine 1 gemessen wer­ den. Die Eingangsgrößen werden anhand abgelegter Kennwerte, Kennlinien, Kennfeldern oder Fuzzy­ regeln zu Stellgrößen verarbeitet, die die Drehzahl des Elektromotors 8 steuern und/oder regeln. Um das dynamische Verhalten des Radialverdichters 6 und des Elektromotors 8 zu verbessern, wird vorteilhaf­ terweise eine Steuerung der Regelung überlagert.

Falls die Leistungsanforderung am Gaspedal 12 plötzlich abfällt, kann der Radialverdichter 6 durch eine Bremsvorrichtung 21 auf die erforderliche Drehzahl entsprechend seines Kennfeldes abgebremst wer­ den. Die Steuereinheit 13, die zweckmäßigerweise einen Mikrocomputer enthält, steuert hierzu die Bremsvorrichtung 21 im Bedarfsfall. Dadurch ist gewährleistet, dass der Radialverdichter 6 in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 Verbrennungsluft nur in der erforderlichen Menge und mit dem gewünschten Druck liefert, so dass die Verluste minimal sind und ein hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird. In Betriebsbereichen, in denen die Brennkraftmaschine 1 in vorteilhafter Weise als Saugmo­ tor betrieben wird, kann das Laufrad 23 des Radialverdichters 6 durch eine schaltbare Kupplung 9, vorzugsweise eine elektromagnetisch betätigbare Kupplung, von dem Elektromotor 8 getrennt werden. Durch die Verbrennungsluft, die in diesem Fall durch den Radialverdichter 6 strömt, wird dieser auf Drehzahl gehalten, so dass für das Hochfahren des Radialverdichters 6 zu einem späteren Zeitpunkt eine sehr geringe Zeitspanne benötigt wird.

Fig. 2 zeigt in einem Teillängsschnitt den Radialverdichter 6 mit einem angeflanschten Elektromotor 8. Der Radialverdichter 6 besitzt ein Laufrad 23, das auf einer Verdichterwelle 25 befestigt. Ist. Die Verdich­ terwelle 25, die mit einer Rotorwelle 30 einstückig ausgebildet ist, ist über Leitlager 31 schwimmend im Gehäuse 33 des Elektromotors 8 gelagert, wobei sich das äußere Gleitlager 31 in einem Deckel 37 des Gehäuses 33 abstützt, der durch eine Dichtung 43 gegenüber dem Gehäuse 33 abgedichtet ist. Die Gleitlager 31 werden über einen Druckölanschluss 34 und Verteilerkanäle 35 mit Drucköl versorgt.

Der Elektromotor 8 besitzt einen Rotor 29, der über eine Keilverzahnung 39 drehfest auf der Rotorwelle 30 sitzt. Der Rotor 29 kann aber auch einstückig mit der Rotorwelle 30 verbunden sein. Ein Stator 32, der im Gehäuse 33 des Elektromotors 8 fest angeordnet ist und am Umfang über einen Ringkanal 36 mit Kühlflüssigkeit gekühlt wird, umgibt den Rotor 29. Der Ringkanal 36 ist zum Stator 32 hin offen. Er kann aber auch durch eine Trennwand gegenüber dem Stator 32 geschlossen werden. Der Elektromotor 8 wird über einen elektrischen Anschluss 22 mit Strom versorgt.

Das Laufrad 23 und der Rotor 29 drehen sich im Betrieb um eine gemeinsame Rotationsachse 38. Dabei fördert das Laufrad 23 von einer Ansaugseite 27 in Strömungsrichtung 28 Verbrennungsluft in einen Diffusor 26, der im Verdichtergehäuse 24 untergebracht und an die Ladeluftleitung 4 angeschlos­ sen ist (Fig. 1). Die zum Elektromotor 8 weisende Stirnseite des Verdichtergehäuses 24 wird von einer Trennwand 40 gebildet, in der eine Wellendichtung 41 angeordnet ist, die in bekannter Weise ausge­ staltet ist und den Radialverdichter 6 gegenüber dem Elektromotor 8 abdichtet.

In Fig. 2 ist keine Kupplung 9 und keine Bremsvorrichtung 21 dargestellt. Sie können im Bedarfsfall an einer geeigneten Stelle angeordnet werden.

Claims (10)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter, dessen Laufrad triebmäßig mit einem Rotor eines Elektromotors verbunden ist, wobei der Elektromotor durch eine elektronische Steuer­ einheit in Abhängigkeit von Betriebsparametern gesteuert und/oder geregelt wird, dadurch gekennzeich­ net, dass in allen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine (1) die gesamte Verbrennungsluft über den Radialverdichter (6) zur Brennkraftmaschine (1) gefördert wird und der Elektromotor (8) der einzige Antrieb des Laufrads (23) ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialverdichter (6) über eine schaltbare Kupplung (9) mit dem Rotor (29) koppelbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (9) eine elektromagnetisch schaltbare Kupplung ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (23) und/oder der Rotor (29) über eine elektronisch ansteuerbare Bremsvorrichtung (21) abgebremst werden kann.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) als Generator betrieben werden kann.

6. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) ein Reluktanzmotor ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (8) und der Radialverdichter (6) und/oder die Bremsvorrichtung (21) und/oder die Kupplung (9) eine Baueinheit bilden.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (29) und der Stator (32) in Kunststoff vergossen sind.

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ladeluftleitung (4) ein Luftmengenmesser vorgesehen ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (13) die Drehzahl des Elektromotors (8) entsprechend abgelegter Kennwerte, Kennlinien, Kennfeldern und/oder Fuzzyregeln in Abhängigkeit von ihren Eingangsgrößen, insbesondere von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1), der Stellung des Gaspedals (12), dem Ladedruck und der geförderten Luftmenge, steuert und/oder regelt.