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Die
Erfindung betrifft einen mechanischen Lader für einen Verbrennungsmotor,
mit mindestens einer den Antrieb des Laders bewirkenden Laderwelle
und einer der Laderwelle zugeordneten Antriebsvorrichtung.
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Mechanische
Lader beziehungsweise Aufladeaggregate für einen Verbrennungsmotor sind
bekannt. Mittels derartiger Lader können die Zylinder eines Verbrennungsmotors
mit komprimierter Luft befüllt
werden, um -bei gleichzeitiger Erhöhung der zugeführten Kraftstoffmenge-
eine erhöhte
Menge an Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennen und so die Leistung
des Verbrennungsmotors erhöhen
zu können.
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Einen
besonders großen
Verbreitungsgrad hat dabei der sogenannte Abgasturbolader gefunden,
dessen Laderwelle von einem in der Abgasleitung angeordneten Turbinenrad
angetrieben wird. Die Verwendung eines Abgasturboladers in Kombination
mit einem kleinvolumigen Ottomotor hat sich jedoch als problematisch
herausgestellt, da ein zu geringes Energieangebot aufgrund zu kleiner
Abgasmasseströmen
eine wirkungsvolle Aufladung des Motors bei niedrigen Motordrehzahlen
verhindert. Fahrzeuge mit einem Motorkonzept dieser Art haben eine
deutliche Anfahrschwäche.
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Mit
dem Einsatz eines mechanischen Laders können diese Nachteile verringert
oder sogar vermieden werden. Dabei wird der mechanische Lader in der
Regel mit einer festen Übersetzung
von einer Motorwelle des Verbrennungsmotors, insbesondere der Kurbelwelle,
angetrieben. Dies führt
in vorteilhafter Weise dazu, dass der Luftdurchsatz des mechanischen
Laders -und damit die durch den Lader bewirkte Aufladung- nicht
mehr vom Lastzustand des Motors abhängt, sondern nur noch von der
Motordrehzahl. Der mechanische Lader liefert im gesamten Betriebsbereich
des Motors ein seinem Übersetzungsverhältnis entsprechendes
Luftvolumen. Der mechanische Lader kann dabei so ausgestaltet werden, dass
er bereits im Leerlauf des Motors einen ausreichenden Ladedruck
zur Verfügung
stellt.
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Mit
steigender Drehzahl, beispielsweise im Teillastbeneich, wäre es aber
wünschenswert,
den mechanischen Lader abzuschalten. Insbesondere im oberen Drehzahlbereich
des Motors und den daraus resultierenden hohen Drehzahlen des Laders
steigt dessen Antriebsleistung überproportional
an. Es sind daher zusätzliche
konstruktive Maßnahmen erforderlich,
beispielsweise ein Bypass für
die überschüssig geförderte Luft,
um den Ladedruck in Grenzen zu halten.
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Es
ist demnach wünschenswert,
die Antriebsdrehzahl des mechanischen Laders möglichst unabhängig von
der Drehzahl des Verbrennungsmotors einstellen zu können. Aus
dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, zwischen die
Kurbelwelle und die Laderwelle ein schaltbares Stufengetriebe einzusetzen.
Es sind damit jedoch ein hoher baulicher Aufwand, insbesondere erhöhte Anforderungen
an den benötigten
Bauraum, und deutlich erhöhte
Produktionskosten verbunden. Als eine Alternative wird unter anderem
ein stufenloses Getriebe (CVT) vorgeschlagen, welches jedoch einen
schlechten Wirkungsgrad und einen erhöhten Verschleiß zeigt.
Zudem sind weitere bauliche Maßnahmen
erforderlich (zum Beispiel Magnetkupplung), um den Lader mechanisch
von der Kurbelwelle trennen zu können.
Schließlich
ist es bekannt, den Antrieb des Laders mittels eines Elektromotors
zu bewirken. Dies ist jedoch nachteilig, da die gesamte Leistung
des Laders vom Elektromotor aufgebracht werden muss, wodurch ein
kostenintensives und -aufgrund der benötigten Leistung- zudem relativ
großes
und schweres Zusatzbauteil erforderlich ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher einen mechanischen Lader mit einer Antriebsvorrichtung aufzuzeigen,
die den Antrieb des Laders vereinfacht und gleichzeitig effizient
gestaltet.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Antriebsvorrichtung
ein Umlaufgetriebe mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten
Umlaufgetriebewelle ist, wobei die erste Umlaufgetriebewelle eine
Sonnenradwelle, die zweiten Umlaufgetriebewelle eine Planetenradträgerwelle
und die dritte Umlaufgetriebewelle eine Hohlradwelle ist, wobei
die Laderwelle mit einer der Umlaufgetriebewellen, eine weitere
der Umlaufgetriebewellen mit einer Motorwelle des Verbrennungsmotors
und die verbleibende Umlaufgetriebewelle mit einer Maschinenwelle
einer dem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Maschine wirkverbunden
ist. Bei einem Umlaufgetriebe beziehungsweise Planetengetriebe ist
das Gehäuse
nicht wie bei üblichen Übersetzungsgetrieben mitsamt
den darin gelagerten Zahnrädern
fest mit einem Fundament verbunden, sondern wird drehbar mit einer
zusätzlichen
Welle im Fundament gelagert. Bei dem Umlaufgetriebe handelt es sich
um ein zwangloses Getriebe mit dem Laufgrad 2, das bedeutet, dass
zwei definierte Bewegungen erforderlich sind, um den Bewegungszustand
des Umlaufgetriebes eindeutig festzulegen. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung
bedeutet dies, dass die geeignete Wahl der Drehzahlen zweier Umlaufgetriebewellen zu
einer ge wünschten
Drehzahl der verbleibenden Umlaufgetriebewelle führt, wobei das genaue Verhältnis der
Drehzahlen zueinander durch die geometrischen Abmaße des Umlaufgetriebes
bestimmt werden kann. Dabei ist es auch möglich, die Antriebsdrehzahlen
der zwei Umlaufgetriebewellen in Betrag und Richtung so zu wählen, dass
die Abtriebsdnehzahl an der verbleibenden Welle gleich Null ist.
Damit ist es nun vorteilhafterweise möglich, eine gewünschte Antriebsleistung
des mechanischen Laders zur Verfügung
zu stellen, indem die Drehzahlen der zwei Umlaufgetriebewellen entsprechend
eingestellt werden.
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Eine
Einstellung der Drehzahlen kann dabei bevorzugt wie folgt vorgenommen
werden: Im Leerlauf beziehungsweise bei sehr niedrigen Drehzahlen bringt
die Maschinenwelle der elektrischen Maschine ein unterstützendes
Drehmoment ein, sodass die Drehzahl der Laderwelle, beziehungsweise
das auf die Laderwelle wirkende Drehmoment, höher ist als es die Motorwelle
alleine bereitstellt. Mit steigender Drehzahl wird die Unterstützung durch
die elektrische Maschine reduziert, bis die elektrische Maschine
bei einer bestimmten Drehzahl ganz abgeschaltet werden kann. Steigt
die Drehzahl weiter an, kann die elektrische Maschine in einen Generatonbetrieb
geschaltet werden, um so einen Teil des von der Motorwelle zur Verfügung gestellten
Drehmoments aufzunehmen und die Drehzahl des Laders zu begrenzen. Die
Auslegung beziehungsweise Anordnung des Umlaufgetriebes ist dabei
so zu wählen,
dass ein Kompromiss aus großer
Abtriebsdrehzahlspreizung und möglichst
niedriger Antriebsleistung der elektrischen Maschine gefunden wird.
Gegebenenfalls kann eine Anpassung auch unter Verwendung mindestens
einer Kupplung und/oder mindestens eines Getriebes erfolgen. Mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht auch die Möglichkeit,
die Drehzahl des mechanischen Laders bei jeder Drehzahl des Verbrennungsmotors
variabel einzustellen und damit den Ladedruck regelbar zu gestalten.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Motorwelle
eine Kurbelwelle und die Verbindung zwischen der Kurbelwelle und
der ihr zugeordneten Umlaufgetriebewelle erfolgt über einen Riementrieb.
Damit ist eine einfache Möglichkeit
aufgezeigt die Wirkverbindung zwischen der Motorwelle, hier die
Kurbelwelle, und einer Umlaufgetriebewelle herzustellen.
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Vorteilhafterweise
ist die Sonnenradwelle mit der Maschinenwelle, die Planetenradwelle
mit der Laderwelle und die Hohlradwelle mit der Motorwelle wirkverbunden.
Bei einer derartigen Anordnung lässt sich
eine besonders gute Abstimmung im Hinblick auf die Spreizungen bei
den An- beziehungsweise Abtriebsdrehzahlen erreichen.
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Mit
Vorteil ist die elektrische Maschine als Elektromotor, insbesondere
als Synchronmotor mit Außenläufer, ausgebildet.
Dadurch kann der mechanische Lader besonders platzsparend gestaltet
werden. Dabei dreht sich der Außenläufer mit
der Sonnenradwelle und ist dabei bevorzugt drehfest mit der Sonnenradwelle
verbunden. Die vom Elektromotor abgegebene Leistung ist dabei vorzugsweise
im Wesentlichen unabhängig
vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors regelbar.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sonnenradwelle
und die Hohlradwelle als Hohlwellen ausgebildet sind, wobei die
Sonnenradwelle im Inneren der Hohlradwelle geführt ist und die Planetenradträgerwelle
im Inneren der Sonnenradwelle angeordnet ist. Eine solche Ausführung der
Umlaufgetriebewellen führt
zu einer Ersparnis an Bauraum und ermöglicht eine kompakte Realisierung des
Laders.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 eine
Prinzipskizze eines mechanischen Laders,
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2 eine
Gesamtansicht eines mechanischen Laders, und
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3 eine
Detailansicht der Antriebsvorrichtung des mechanischen Laders.
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Die 1 zeigt
einen mechanischen Lader 10 für einen Verbrennungsmotor 12 mit
einer den Antrieb des Laders 10 bewirkenden Ladenwelle 14 und einer
mit der Laderwelle 14 zusammenwirkenden Antriebsvorrichtung 16,
die hier als Umlaufgetriebe 18 (Planetengetriebe) ausgebildet
ist. Das Umlaufgetriebe 18 weist eine erste, eine zweite
und eine dritte Umlaufgetriebewelle 20, 22, 24 auf,
wobei die erste Umlaufgetriebewelle 20 eine Sonnenradwelle 26 ist, die
zweite Umlaufgetriebewelle 22 eine Planetenradträgerwelle 28 ist
und die dritte Umlaufgetriebewelle 24 eine Hohlradwelle 30 ist.
Die Sonnenradwelle 26 ist mit einer Maschinenwelle 32 einer
dem Verbrennungsmotor 12 zugeordneten elektrischen Maschine 34,
die Planetenradträgerwelle 28 mit
der Laderwelle 14 und die Hohlradwelle 30 mit
einer Motorwelle 36 des Verbrennungsmotors 12 wirkverbunden.
Dabei ist die elektrische Maschine 34 als Elektromotor 38, insbesondere
als Synchronmotor 40 mit Außenläufer 42, ausgebildet,
und die Wirkverbindungen zwischen den Umlaufgetniebewellen 20, 22, 24 und
der Laderwelle 14, der Maschinenwelle 32 beziehungsweise der
Motorwelle 36 können
durch Kupplungen 44 aufgetrennt werden.
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(Bei
Bedarf können
zudem Getriebe in den genannten Wirkverbindungen zwischengeschaltet werden.)
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Motorwelle 36 eine Kurbelwelle 46 des
Verbrennungsmotors 12. Die Pfeile 48, 50, 52 deuten
an, dass die elektrische Maschine 34 sowohl Leistung (Drehmoment)
an das Umlaufgetriebe 18 abgeben als auch Leistung von
diesem aufnehmen kann, während
der Verbrennungsmotor 12 das Umlaufgetriebe 18 nur
mit Leistung speist und der mechanischer Lader 10 dem Umlaufgetriebe 18 nur
Leistung entnimmt. Dabei wird die elektrische Maschine 34 so
geregelt, dass in den unterschiedlichen Betriebszuständen des
Verbrennungsmotors 12 bei entsprechender Einstellung der
elektrischen Maschine 34 eine gewünschte Drehzahl des Laders 10 erzielt
werden kann.
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2 zeigt
einen Lader 10 mit einer Antriebsvorrichtung 16.
Der Außenläufer 42 des
Elektromotors 38 (hier verdeckt) bildet einen Teil des
Sonnenrads 54 des Umlaufgetriebes 18. Eine Riemenscheibe 56 stellt
das Hohlrad 58 des Umlaufgetriebes 18 dar. Die
Riemenscheibe 56 weist mehrere Rillen auf und wird für ihren
Antrieb von einem (nicht dargestellten) Riemen zumindest teilweise
umschlungen. Die strichgepunktete Linie 60 deutet die Verlängerung
der Achse der Planetenradträgerwelle 28 an.
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3 zeigt
eine geschnittene Ansicht der Antriebsvorrichtung 16. Das
Umlaufgetriebe 18 weist ein Sonnenrad 54 auf,
dessen einer Teil den Außenläufer 42 der
elektrischen Maschine 34 ausbildet, das Hohlrad 58,
welches als Riemenscheibe 56 ausgebildet ist, und drei
Planetenräder 62,
die auf Planetenradachsen 64 angeordnet sind, wobei die
Planetenradachsen 64 in Winkelabständen von 120° auf einem
Planetenradträger 66 angeordnet
sind. Die allgemeine Funktionsweise eines Planetengetriebes ist aus
dem Stand der Technik bekannt und soll daher nicht näher erläutert werden.
Es sei hier lediglich auf die Besonderheit hingewiesen, dass die
Sonnenradwelle 26 als Hohlwelle ausgebildet ist und die
Planetenradträgerwelle 28 in
ihrem Inneren angeordnet ist. Auch die Hohlradwelle 30 ist
als Hohlwelle ausgebildet und führt
in ihrem Inneren die Sonnenradwelle 26 und damit auch die
Planetenradträgerwelle 28.
Die Planetenradträgerwelle 28 ist
mit der Laderwelle 14 des Laders 10 verbunden,
sodass die von der elektrischen Maschine 34 und dem angetriebenen
Hohlrad 58 insgesamt bereitgestellte Leistung dem Antrieb des
Laders 10 dient.
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- 10
- Lader
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Laderwelle
- 16
- Antriebsvorrichtung
- 18
- Umlaufgetriebe
- 20
- erste
Umlaufgetriebewelle
- 22
- zweite
Umlaufgetriebewelle
- 24
- dritte
Umlaufgetriebewelle
- 26
- Sonnenradwelle
- 28
- Planetenradträgerwelle
- 30
- Hohlradwelle
- 32
- Maschinenwelle
- 34
- elektrische
Maschine
- 36
- Motorwelle
- 38
- Elektromotor
- 40
- Synchronmotor
- 42
- Außenläufer
- 44
- Kupplung
- 46
- Kurbelwelle
- 48
- Pfeil
- 50
- Pfeil
- 52
- Pfeil
- 54
- Sonnenrad
- 56
- Riemenscheibe
- 58
- Hohlrad
- 60
- Linie
- 62
- Planetenrad
- 64
- Planetenradachse
- 66
- Planetenradträger