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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 Teillastbereich, 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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Aus der
DE 195 81 495 T1 ist bereits ein mechanischer Lader der gattungsgemäßen Art bekannt. Aus der Offenlegungsschrift
DE 29 26 426 A1 ist bereits ein Antriebsaggregat mit einem Verbrennungsmotor und einem Lader bekannt, die durch ein Planetenradgetriebe miteinander verbunden sind. Aus der Offenlegungsschrift
DE 43 30 622 A1 ist ebenfalls bereits ein Antriebsaggregat mit einem Verbrennungsmotor und einem Lader bekannt, die durch ein als Planetenradgetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe miteinander verbunden sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es 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 mit einem Lader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 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 gewünschten 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 Abtriebsdrehzahl 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 Generatorbetrieb 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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Erfindungsgemäß 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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Die 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 Laderwelle 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 Umlaufgetriebewellen 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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Bezugszeichenliste
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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
