DE10056430A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter - Google Patents
Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem RadialverdichterInfo
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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.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE2000156430 DE10056430A1 (de) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2000156430 DE10056430A1 (de) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10056430A1 true DE10056430A1 (de) | 2002-05-23 |
Family
ID=7663281
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2000156430 Withdrawn DE10056430A1 (de) | 2000-11-14 | 2000-11-14 | Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Radialverdichter |
Country Status (1)
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DE (1) | DE10056430A1 (de) |
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2000
- 2000-11-14 DE DE2000156430 patent/DE10056430A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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