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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
und ein Verfahren für eine
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 beziehungsweise
des Patentanspruchs 11.
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Die
heutigen Brennkraftmaschinen werden zur Steigerung ihrer Leistungsdichte
mit einem Abgasturbolader ausgerüstet.
Neben den bekannten Vorteilen haben solche Ladesysteme aber auch Nachteile,
wie z. B. das so genannte Turboloch, ein verzögertes Ansprechverhalten, welches
mit einem geringen Ladedruck bei niedrigen Motordrehzahlen einhergeht.
Des Weiteren haben diese Ladesysteme nur einen schmalen Drehzahlbereich
mit optimalem Wirkungsgrad. Diese Nachteile wirken sich während des
Motorbetriebes zumindest in einigen Betriebsbereichen, insbesondere
bei Beschleunigungen, ungünstig
aus.
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Zur
Reduzierung dieser Nachteile sind schon verschiedene Lösungen vorgeschlagen
worden. Zum Beispiel werden Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie
verwendet, die gegenüber
solchen mit ungeregelten Abgasturbinen erheblich teurer sind und
außerdem
gegenüber
elektrisch angetriebenen Ladern einen langsameren Ladedruckaufbau
bewirken. Des Weiteren wird zur Überbrückung des
Turbolochs der Abgasturbolader elektrisch unterstützt, das heißt, er wird
mit einem zusätzlichen
Elektromotor angetrieben.
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Aus
der gattungsbildenden Patentschrift
EP 10 70 873 B1 geht ein Abgasturbolader
hervor, der zusätzlich
zum Abgasturbolader einen zusätzlichen Verdichter,
ein dessen Verdichterrad antreibender Elektromotor, eine zweite
Elektromaschine, eine Batterie und eine elektrische/elektronische
Regeleinheit aufweist. Die zweite Elektromaschine steht mit ihrer Welle
in Verbindung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und wird
daher im Generatorbetrieb mit einer Drehzahl angetrieben, die sich
aus der aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle und einer einfachen Übersetzung
zwischen der Kurbelwelle und der Welle der Elektromaschine ergibt.
Durch entsprechende Regelungsvorgaben der Regeleinheit wird wechselweise
von der generatorisch betriebenen zweiten Elektromaschine und/oder
der Batterie elektrische Antriebsenergie an den Elektromotor zu
dessen Betrieb geleitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ansprechverhalten eines
Abgasturboladers zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine
zu verbessern. Es soll ein Antrieb für einen zusätzlichen Verdichter bereitgestellt
werden, der bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine überschüssige Antriebsenergie
der Brennkraftmaschine gezielt zum Antrieb des zusätzlichen
Verdichters ausnutzt, wobei auf einen sonst üblichen elektromotorischen
Antrieb verzichtet werden kann. Der Antrieb soll einen hohen Wirkungsrad
bei kompakter Bauweise aufweisen. Ferner ist es Aufgabe hierfür ein entsprechendes
Verfahren anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist einem
ersten Verdichter des Abgasturboladers ein zweiter Verdichter nachgeschaltet
oder vorgeschaltet. Die Nachschaltung des zweiten Verdichters bewirkt
eine zusätzliche Kompression
einer vom ersten Verdichter aus der Umgebung angesaugten und verdichteten
Ladeluft, während
die Vorschaltung des zweiten Verdichters eine Vorkompression der
Ladeluft bewirkt, das heißt der
zweite Verdichter saugt Ladeluft aus der Umgebung an und verdichtet
sie. Der zweite Verdichter ist bei Bedarf über einen Bypass umgehbar,
in welchem ein Ventil zum Öffnen
oder Schließen
des Bypasses untergebracht ist. Wird der zweite Verdichter umgangen,
so komprimiert ausschließlich
der erste Verdichter angesaugte Ladeluft. Ein weiterer Vorteil der
Erfindung liegt in dem Antrieb des zweiten Verdichters über eine
Schwungmasse, in die Rotationsenergie einspeisbar ist. Durch den
Antrieb des zweiten Verdichters über
eine Schwungmasse entfällt
ein sonst üblicher,
zusätzlicher
Elektromotor, welcher zum Antrieb des zweiten Verdichters zusätzlich Energie
benötigen
würde.
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In
einer Ausführung
nach Patentanspruch 2 ist die Schwungmasse über eine erste Kupplung und ein
erstes Getriebe an die Brennkraftmaschine koppelbar, derart, dass
Energie von der Brennkraftmaschine in die Schwungmasse eingespeist
wird. Über eine
zweite Kupplung und ein zweites Getriebe erfolgt der Antrieb des
zweiten Verdichters über
die Schwungmasse, wobei die Schwungmasse die gespeicherte Rotationsenergie
an den zweiten Verdichter abgibt. Damit eine hohe Drehzahl des zweiten Verdichters
erreicht wird, sind zwei Getriebe vorgesehen. Das erste Getriebe
dient einer Übersetzung der
Drehzahl der Brennkraftmaschine, sodass die Schwungmasse mit höherer Drehzahl
betrieben wird als die Brennkraftmaschine. Das zweite Getriebe übersetzt
die Schwungmassendrehzahl derart, dass der Verdichter mit einer
höheren
Drehzahl als die Schwungmasse rotiert. Über die Kupplungen erfolgt eine
Zu- bzw. Abschaltung des Antriebs der Schwungmasse und/oder des
Verdichters.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 3 ist das Trägheitsmoment
JTS der Schwungmasse mindestens 10-mal größer als ein Trägheitsmoment
JTV eines Verdichterrades des zweiten Verdichters, sodass zum gesicherten
Antrieb des Verdichters ausreichend Rotationsenergie zur Verfügung gestellt
wird.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 4 ist das erste Getriebe und/oder das zweite Getriebe
ein Planetengetriebe. Planetengetriebe zeichnen sich durch einen
geringen Bauraumbedarf, eine hohe Leistungsdichte und einen hohen
Wirkungsgrad bei kleinen Wälzleistungen
aus, sodass ein relativ geringer Reibungsverlust bei der Übersetzung
der Drehzahl der Brennkraftmaschine herrscht.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 5 ist die Schwungmasse auf einer dem Verdichter
abgewandten Seite mit einem Sonnenrad des ersten Getriebes drehfest
verbunden, wodurch eine Drehzahlsteigerung im Rahmen einer Getriebeübersetzung
des ersten Getriebes sichergestellt ist.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 6 ist die Schwungmasse auf einer dem Verdichter
zugewandten Seite mit einem Hohlrad des zweiten Getriebes drehfest
verbunden, wodurch eine Drehzahlsteigerung im Rahmen einer Getriebeübersetzung
des zweiten Getriebes sichergestellt ist. Ein Abtrieb erfolgt über ein
Sonnenrad, das drehfest mit dem Verdichter verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 7 ist ein vorteilhaftes Übersetzungsverhältnis des
ersten Getriebes zwischen 1:2 und 1:15 je nachdem welche Eingangsdrehzahl
an einer Eingangswelle des ersten Getriebes vorliegt. Typischerweise wird
das Getriebe über
einen Riemen angetrieben, der abhängig vom Durchmesser der Riemenscheiben
bereits einen Teil der Gesamtübersetzung
realisiert.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 8 ist ein vorteilhaftes Übersetzungsverhältnis des
zweiten Getriebes zwischen 1:4 und 1:15 je nach gewähltem Übersetzungsverhältnis des
ersten Getriebes und dem Verhältnis
von Massenträgheitsmomente
zwischen dem Verdichterrad und der Schwungmasse.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 9 sind die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung
in Form einer Bandbremse ausgebildet. Vorteilhafterweise verfügen Bandbremsen über einen
hohen Wirkungsgrad und eine einfache Bauweise.
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In
einer weiteren Ausführung
nach Patentanspruch 10 wird die bereits vorhandene Welle des Generators,
die bereits eine mechanische Verbindung mit der Brennkraftmaschine
darstellt, als Verbindung der Schwungmasse mit der Brennkraftmaschine
genutzt. Dabei wird typischerweise bereits ein Übersetzungsverhältnis von
ca. 1:4 über
den Riemenantrieb dargestellt.
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In
einem erfindungsgemäßen Verfahren nach
Patentanspruch 11 wird in einem stationären Betrieb bei gleich bleibender
Drehzahl, insbesondere Leerlauf der Brennkraftmaschine, zur Einspeisung von
Rotationsenergie in die Schwungmasse die erste Kupplung geschlossen.
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In
einer weiteren Ausführung
des Verfahrens wird bei Erreichen einer Mindestdrehzahl nROTMIN der Schwungmasse die zweite Kupplung
geschlossen, sodass der zweite Verdichter von der Schwungmasse angetrieben
wird. Die Verbindung des zweiten Verdichters mit der Schwungmasse
wird so lange aufrechterhalten, bis der zweite Verdichter eine Mindestdrehzahl
nVERDMIN erreicht hat.
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In
einer weiteren Ausführung
des Verfahrens nach Patentanspruch 13 wird in einem instationären Betrieb
der Brennkraftmaschine zum Beschleunigen des zweiten Verdichters
die erste Kupplung vollständig
geöffnet,
sodass die Schwungmasse ohne zusätzlichen
Antrieb rotiert. Anschließend
wird die zweite Kupplung zum Antrieb des zweiten Verdichters vollständig geschlossen.
Die in der Schwungmasse gespeicherte Rotationsenergie wird an den zweiten
Verdichter abgegeben.
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In
einer weiteren Ausbildung des Verfahrens nach Patentanspruch 14
wird bei einer Drehzahl ΠROT der Schwungmasse, die kleiner ist als
die Mindestdrehzahl nROTMIN der Schwungmasse,
die erste Kupplung vollständig
geschlossen, sodass die Schwungmasse wieder von der Brennkraftmaschine
angetrieben wird.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Es
zeigen:
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1a eine
prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit
einem, einem ersten Verdichter eines Abgasturboladers nachgeschalteten
zweiten Verdichter,
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1b eine
prinzipielle Darstellung der Brennkraftmaschine mit einem dem ersten
Verdichter des Abgasturboladers vorgeschalteten zweiten Verdichter
und
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2 einen
Schnitt durch einen prinzipiellen Aufbau einer Ankopplung des zweiten
Verdichters an die Brennkraftmaschine, der neben der Brennkraftmaschine
einen Generator, eine Schwungmasse, zwei Getriebe mit zugehörigen Kupplungen
und den zweiten Verdichter darstellt.
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In 1a ist
eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 4 mit
einem Abgasturbolader 30 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 4 ist
beispielsweise ein Dieselmotor für
ein Kraftfahrzeug, sie kann ebenso ein Ottomotor für ein Kraftfahrzeug
sein. Der Brennkraftmaschine 4 ist der Abgasturbolader 30 mit einem
ersten Verdichter 31 in einem Ansaugtrakt 28 der
Brennkraftmaschine 4 und einer Turbine 32 in einem
Abgasstrang 29 der Brennkraftmaschine 4 zugeordnet.
Die Turbine 32 ist beispielsweise eine Turbine mit Festgeometrie,
sie kann ebenso eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie sein.
Der erste Verdichter 31 wird über eine Abgasturboladerwelle 33 von
der Turbine 32 angetrieben, sodass der erste Verdichter 31 Ladeluft
aus der Umgebung ansaugt und verdichtet. Der erste Verdichter 31 ist
mit einer Festgeometrie ausgestattet, er kann ebenso ein Verdichter
mit variabler Verdichtergeometrie sein.
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Stromab
des ersten Verdichters 31 ist ein zweiter Verdichter 1 mit
einem Verdichterrad 20 im Ansaugtrakt 28 vorgesehen.
Der zweite Verdichter 1 ist dem ersten Verdichter 31 des
Abgasturboladers 30 nachgeschaltet.
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Stromab
des zweiten Verdichters 1 ist im der Ansaugtrakt 28 ein
Ladeluftkühler 34 zum
Kühlen
der verdichteten Ladeluft vorgesehen. Der Ladeluftkühler 34 könnte auch
zwischen dem ersten Verdichter 31 und dem zweiten Verdichter 1 vorgesehen
sein. Es könnte
dann ein zweiter Ladeluftkühler
nach dem zweiten Verdichter 1 im Ansaugtrakt 28 angeordnet sein.
Stromauf des zweiten Verdichters 1 ist ein Bypass 22 im
Ansaugtrakt 28 vorgesehen, der stromab des zweiten Verdichters 1 und
stromauf des Ladeluftkühlers 34 wieder
in den Ansaugtrakt 28 mündet.
Im Bypass 22 ist ein Ventil 23 vorgesehen. Der
Bypass 22 kann über
das Ventil 23 geöffnet
oder geschlossen werden. Bei geschlossenem Ventil 23 beziehungsweise
geschlossenem Bypass 22 wird von dem zweiten Verdichter 1 die
von dem ersten Verdichter 31 auf einen bestimmten Ladedruck
verdichtete Ladeluft auf einen noch höheren Ladedruck verdichtet.
Bei geöffnetem
Ventil 23 beziehungsweise geöffnetem Bypass 22 wird
der zweite Verdichter 1 umgangen, das heißt, die
vom ersten Verdichter 31 verdichtete Ladeluft strömt durch
den Bypass 22 am zweiten Verdichter vorbei in den Ladeluftkühler 34.
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Der
zweite Verdichter 1 wird von der Brennkraftmaschine 4 über einen
Schwungmassenantrieb 50 mechanisch angetrieben, der im
Folgenden näher beschrieben
wird. Der Schwungmassenantrieb 50 umfasst eine Schwungmasse 6,
ein erstes und ein zweites Getriebe 7, 13, eine
erste und eine zweite Kupplung 12, 18 und eine
Schwungmassenverbindung 24. Die Schwungmassenverbindung 24 stellt eine
Verbindung des Schwungmassenantriebs 50 mit einer Kurbelwelle 5 der
Brennkraftmaschine 4 dar.
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Die 1b zeigt
prinzipiell die gleiche Brennkraftmaschine 4 wie sie bereits
in 1a dargestellt ist. Im Ansaugtrakt 28 ist
stromauf des Ladeluftkühlers 34 der
erste Verdichter 31 des Abgasturboladers 30 vorgesehen.
Stromauf des ersten Verdichters 31 weist der Ansaugtrakt 28 den
zweiten Verdichter 1 mit seinem Verdichterrad 20 auf.
Auch in dieser Anordnung wäre
eine Position des Ladeluftkühlers 34 zwischen
dem ersten Verdichter 31 und dem zweiten Verdichter 1 möglich. Es
könnte
dann auch ein zweiter Ladeluftkühler
nach dem zweiten Verdichter 1 im Ansaugtrakt 28 angeordnet
sein. Stromauf des zweiten Verdichters 1 ist der Bypass 22 mit
dem Ventil 23 im Ansaugtrakt 28 vorgesehen, der stromab
des zweiten Verdichters 1 und stromauf des ersten Verdichters 31 wieder
in den Ansaugtrakt 28 mündet.
Der Bypass 22 umgeht den zweiten Verdichter 1.
In 1b ist der zweite Verdichter 1 dem ersten Verdichter 31 vorgeschaltet.
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In 2 ist
ein Schnitt durch einen prinzipiellen Aufbau einer Ankopplung des
zweiten Verdichters 1 an die Brennkraftmaschine 4 dargestellt.
Die 2 zeigt neben der schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 4 einen
Generator 2, die Schwungmasse 6, die Getriebe 7, 13 mit
den zugehörigen
Kupplungen 12, 18, die Schwungmassenverbindung 24 und
den zweiten Verdichter 1.
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Eine
Welle 3 des Generators 2, der eine Lichtmaschine
der Brennkraftmaschine 4 sein kann, ist an einem Ende mit
einer Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 4 mechanisch
verbunden. An einem anderen Ende der Welle 3, dem der Brennkraftmaschine 4 abgewandten
Ende, ist die Welle 3 mit dem ersten Getriebe 7 verbunden,
das ein Planetengetriebe ist. In diesem Auführungsbeispiel ist der Schwungmassenantrieb 50 über die
Welle 3 des Generators 2 mit der Kurbelwelle 5 der
Brennkraftmaschine 4 verbunden. Beispielsweise könnte die Schwungmassenverbindung 24 eine
direkte Verbindung des Schwungmassenantriebs 50 mit der
Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 4 sein. Die
Kurbelwelle 5 wäre
dann ohne eine weitere Welle mit dem ersten Getriebe 7 verbunden.
Ebenso könnte die
Welle 3 auch eine Welle unabhängig vom Generator 2 sein.
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Auf
einer dem Generator 2 abgewandten Seite 51 der
Schwungmasse 6 ist das erste Getriebe 7 mit der
Schwungmasse 6 drehfest verbunden. Auf einer dem ersten
Getriebe 7 abgewandten Seite 52 der Schwungmasse 6 ist
die Schwungmasse 6 mit einem zweiten Getriebe 13 verbunden,
das ebenfalls, wie auch das erste Getriebe 7, ein Planetengetriebe ist.
Das zweite Getriebe 13 ist auf seiner der Schwungmasse 6 abgewandten
Seite mit dem zweiten Verdichter 1 verbunden.
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Da
die beiden Getriebe 7, 13 als Planetengetriebe
ausgebildet sind und der prinzipielle Aufbau der Getriebe 7, 13 der
Gleiche ist, wird ihr Grundaufbau nachfolgend gemeinsam beschrieben.
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Die
Getriebe 7, 13 weisen je ein Hohlrad 10, 16,
je ein Sonnenrad 8, 14 sowie Planetenräder 9, 15 auf,
wobei die Planetenräder 9, 15 über je einen
Planetenradträger 11, 17 miteinander
verbunden sind. Alle Räder,
Hohl-, Sonnen- und Planetenräder
stellen Zahnräder
dar. Das Sonnenrad 8; 14 bildet ein Zentrum des
Getriebes 7; 13, das von den Planetenrädern 9; 15 umrundbar
ist. Die Planetenräder 9; 15 werden
von einem Planetenradträger 11; 17 auf
einen konstanten Abstand zueinander und auf einen konstanten Abstand
zu dem Sonnenrad 8; 14 gehalten. Der Abstand der Planetenräder 9; 15 zum
Sonnenrad 8; 14 entspricht einer Summe der Wälzdurchmesser
des Sonnen- und Planetenrades. Die Planetenräder 9; 15 sind
auf dem Planetenradträger 11; 17 um
ihre eigene Achse rotationsfähig
gelagert. Prinzipiell ausreichend für ein Planetengetriebe 7; 13 wäre ein Planetenrad 9; 15.
Vorteilhafterweise weist dieses Ausführungsbeispiel drei Planetenrädern 9; 15 auf.
In 2 sind aus darstellerischen Gründen nur zwei der drei Planetenräder 9; 15 dargestellt.
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Das
Hohlrad 10; 16 stellt eine einhüllende Begrenzung
der Planentenräder 9; 15 dar.
Bei einer Drehzahlsteigerung wird über die Planetenräder 9; 15 die
Drehbewegung des Hohlrades 10; 16 auf das Sonnenrad 8; 14 übertragen.
Bei einer Drehzahlreduzierung wird die Drehbewegung des Sonnenrades 8; 14 über die
Planetenräder 9; 15 auf
das Hohlrad 10; 16 übertragen.
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Das
dem Generator 2 benachbarte Getriebe 7 weist eine
drehfeste Verbindung mit der Welle 3 des Generators 2 auf.
Die Welle 3 ist mit dem ersten Hohlrad 10 des
ersten Getriebes 7 drehfest verbunden. Eine dem ersten
Getriebe 7 zugewandte Schwungmassenwelle 21 der
Schwungmasse 6 ist mit dem ersten Sonnenrad 8 drehfest
verbunden.
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Die
Schwungmasse 6 weist auf der dem zweiten Getriebe 13 zugewandten
Seite 52 eine drehfeste Verbindung mit einem zweiten Hohlrad 16 des
zweiten Getriebes 13 auf. Der zweite Verdichter 1 ist
mit dem zweiten Sonnenrad 14 über eine Verdichterwelle 19 drehfest
verbunden.
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Die
beiden Getriebe 7, 13 weisen je eine Kupplung 12, 18 auf,
wobei dem ersten Getriebe 7 die erste Kupplung 12 und
dem zweiten Getriebe 13 die zweite Kupplung 18 zugeordnet
ist.
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Die
Kupplungen 12, 18 sind in Form einer Bandbremse
ausgebildet. Bandbremsen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad
bei einfacher Bauweise aus. Der erste Planetenradträger 11 und der
zweite Planetenradträger 17 sind
von der ersten Bandbremse 12 beziehungsweise von der zweiten Bandbremse 18 umschlungen.
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Prinzipiell
ist eine Bandbremse derart gestaltet, dass ein in der Regel aus
Metall bestehendes Band ein kurvenförmiges, rotationsfähiges Bauteil umschlingt.
Damit das rotierende Bauteil abgebremst wird, wird das Band angezogen,
sodass das Band das Bauteil berührt.
Durch diese Berührung
entsteht zwischen dem Band und dem Bauteil ein Reibmoment, das dem
Drehmoment des rotierenden Bauteils teilweise oder völlig entgegengesetzt
gleichwertig ist. Das Band ist ähnlich
einer Schelle so um das Bauteil geschlungen, dass es zwei Enden
aufweist. Ein Ende ist fest mit beispielsweise einem Gehäuse verbunden,
auf das andere Ende wirkt eine Bremskraft. Diese Bremskraft zieht
an dem Band so, dass es zu einer Berührung zwischen Band und Bauteil kommt,
wobei je nach Größe der Bremskraft
das Reibmoment groß oder
weniger groß sein
kann.
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Die
in 2 dargestellten Bandbremsen 12, 18 haben
in dieser Vorrichtung eine koppelnde Funktion. Die Arbeitsweise
wird im Folgenden am Beispiel des ersten Getriebes 7 und
der ersten Bandbremse 12 erläutert.
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Eine
Einspeisung von Rotationsenergie in die Schwungmasse 6 erfolgt über eine
Verbindung der Schwungmasse 6 mit der ersten Kupplung 12,
die über
das erste Getriebe 7 und der Welle 3 mit der Kurbelwelle 5 der
Brennkraftmaschine 4 verbunden ist. Vor der Koppelung dreht
sich das erste Hohlrad 10 des ersten Getriebes 7 aufgrund
seiner drehfesten Verbindung mit der Drehzahl der Welle 3,
die der Drehzahl der Kurbelwelle 5 oder einer Eingangsdrehzahl
auf Grund einer Übersetzung
in der Schwungmassenverbindung 24 der Brennkraftmaschine 4 entspricht.
Die ersten Planetenräder 9 führen auf
dem ersten Sonnenrad 8 zwei rotierende Bewegungen mit zwei
Winkelgeschwindigkeiten aus. Die erste Winkelgeschwindigkeit ω1 bezieht
sich auf eine Drehbewegung der ersten Planetenräder 9 um die eigene
Achse. Die zweite Winkelgeschwindigkeit ω2 bezieht sich auf die Drehbewegung
um das erste Sonnenrad 8. Das erste Sonnenrad 8 bleibt
rotationsfrei. Da ein Planetenradträger eine Verbindung von Planetenrädern darstellt,
rotiert in diesem Fall der erste Planetenradträger 11 mit der zweiten
Winkelgeschwindigkeit ω2
der Planetenräder 9.
Wird der Planetenradträger 11 von
der Bandbremse 12 festgehalten, sodass er rotationsunfähig ist,
so wird die Drehbewegung des ersten Hohlrades 10 über die
ersten, sich nun ausschließlich
um ihre Achsen rotierenden ersten Planetenräder 9 auf das erste
Sonnenrad 8 mit einem bestimmten Übersetzungsverhältnis übertragen.
Damit ist die Kupplung 12 zwischen dem ersten Hohlrad 10 und
dem ersten Sonnenrad 8 geschlossen. Ein bevorzugtes Übersetzungsverhältnis ist
zum Beispiel 1:12. Das bedeutet, dass sich die Schwungmasse 6 bei
geschlossener Kupplung 7 mit dem 12-fachen der Drehzahl
des ersten Hohlrades 10 dreht. Wird eine Übersetzung
in der Drehmassenanbindung 24 berücksichtigt sind auch kleinere Übersetzungsverhältnisse
im Planetengetriebe möglich.
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Der
beschrieben Koppelvorgang gilt ebenso für die zweite Kupplung 18.
Ein bevorzugtes Übersetzungsverhältnis für das zweite
Getriebe liegt zwischen 1:2 bis 1:10. Das bedeutet, dass sich der
zweite Verdichter 1 bei geschlossener Kupplung 18 mit dem
2- bis 10-fachen der Drehzahl der Schwungmasse 6 dreht.
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Die
Welle 3 des Generators 2, die Schwungmassenwelle 21 sowie
die Verdichterwelle 19 des zweiten Verdichters 1 sind
in einem die Schwungmasse 6, die beiden Getriebe 7, 13 und
die Bandbremsen umschließenden
Gehäuse 39 rotationsfähig gelagert.
In einem zwischen dem Generator 2 und dem ersten Getriebe 7 angeordneten
ersten Lager 40 im Gehäuse 39 ist
die Welle 3 gelagert. Eine zweite Lagerung der Welle 3 in
einem Lager 41 befindet sich auf einer dem ersten Getriebe 7 abgewandten
Seite eines Generatorgehäuses 44 des
Generators 2.
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In
einem dritten Lager 42 des Gehäuses 39 zwischen dem
ersten Getriebe 7 und der Schwungmasse 6 ist die
Schwungmassenwelle 21 gelagert. In einem vierten Lager 43 im
Gehäuse 39 zwischen dem
zweiten Getriebe 13 und dem zweiten Verdichter 1 ist
die Verdichterwelle 19 des zweiten Verdichters 1 gelagert.
Zum Beispiel sind die Lager 40, 41, 42, 43 in
der Form eines Gleitlagers ausgebildet. Vorteilhaft sind aber auch
Wälzlagerungen
um bei den hohen Drehzahlen keine großen Reibungsverluste zu bekommen.
Bei höchsten
Drehzahlen bei kleinen Maschinen können auch Keramiklager zum
Einsatz kommen.
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In 2 ist
das Gehäuse 39 mit
einem Generatorgehäuse 44 des
Generators 2 verbunden. Die Gehäuse 39, 44 können ebenso
voneinander getrennt sein. Das Gehäuse 39 kann auch Elemente
einer Motorlagerung der Brennkraftmaschine 4 enthalten,
die zum Beispiel den Elementen eines üblichen Motorträgers entsprechen.
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Je
größer eine
Trägheitsmasse
JTS der Schwungmasse 6 ist, desto größer ist die in die Schwungmasse 6 einspeisbare
Rotationsenergie. Im Ausführungsbeispiel
ist das Trägheitsmoment
JTS der Schwungmasse 6 10-mal größer als ein Trägheitsmoment
JTV des Verdichterrades 20 des zweiten Verdichters 1.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 4 wird zur Einspeisung von
Rotationsenergie in die Schwungmasse 6 die erste Kupplung 12 geschlossen.
Die Einspeisung der Rotationsenergie erfolgt im stationären Betrieb
der Brennkraftmaschine 4, das heißt in Zuständen in denen keine Beschleunigung
des Motors auf höhere
Drehzahlen und Leistungen vorgenommen wird. Bevorzugt wird speziell
im Leerlauf bei stehendem Fahrzeug Energie in die Rotationsmasse 6 eingespeist
um für
den typischerweise folgenden Beschleunigungsvorgang die Rotationsenergie
an das Verdichterrad 20 abgeben zu können.
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Damit
der zweite Verdichter 1 bereits eine günstige Startdrehzahl besitzt,
wird bevorzugt im Leerlauf, ab einer bestimmten Mindestdrehzahl
nROTMIN der Schwungmasse 6 die
zweite Kupplung 18 geschlossen. Der zweite Verdichter 1 wird
dann über die
Schwungmasse 6 von der Brennkraftmaschine 4 angetrieben.
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Das Öffnen und
Schließen
der Kupplungen 12, 18 kann von einer Ladedruckregelung
der Brennkraftmaschine 4 mitgesteuert werden. Damit ist
prinzipiell auch im Leerlauf ein aufgeladener Betrieb der Brennkraftmaschine 4 möglich. Weiterhin
ergibt sich durch die Anordnung mit geschlossenen Kupplungen 12, 18 eine
so hohe mechanische Gesamtübersetzung
zwischen der Kurbelwelle 5 und dem zweitem Verdichter 1,
die auch unterhalb der Leerlaufdrehzahl dem zweiten Verdichter 1 ermöglicht einen
sehr hohen Ladedruck aufzubauen. Dies hat insbesondere im Winter
bei kalten Temperaturen oder bei kleinen Verdichtungsverhältnissen
der Brennkraftmaschine 4 bezüglich dem Startvorgang einen
nicht unerheblichen Vorteil.
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Es
sind kleinere Verdichtungsverhältnisse möglich, ohne
dass eine Gefahr besteht, dass der Motor in der Höhe oder
im Winter nicht mehr startet.
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Ebenso
ergeben sich Vorteile im Betrieb der Brennkraftmaschine 4 in
hohen Höhen,
bei denen die angesaugte Luft eine geringe Dichte aufweist und der Brennkraftmaschine 4 eine
zu geringe Luftmasse zur Verfügung
gestellt wird, weil die Drehzahlen des Abgasturboladers 30 zu
gering sind.
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Im
instationären
Betrieb der Brennkraftmaschine 4, in Beschleunigungsphasen,
wird zur Überwindung
des Turbolochs die erste Kupplung 12 geöffnet und die zweite Kupplung 18 geschlossen.
Damit ist eine schlagartige Beschleunigung des zweiten Verdichters 1 möglich. Mit
den bevorzugten Übersetzungsverhältnissen
der Getriebe 7, 13 kann sich bei einer Drehzahl
nBKM der Brennkraftmaschine 4 der zweite
Verdichter 1 mit einem Vielfachen der Drehzahl der Brennkraftmaschine 4 drehen.
So kann zum Beispiel bei einer schlagartigen Beschleunigung der Brennkraftmaschine 4,
beispielsweise bei einem Kick-Down an einer Ampel, eine Drehzahl
des zweiten Verdichters 1 von über 200 000 min–1 erreicht werden.
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Sinkt
die Drehzahl nROT der Schwungmasse 6 unter
die Mindestdrehzahl nROTMIN, wird die erste Kupplung 12 geschlossen.
Somit wird die Schwungmasse 6 wieder von der Brennkraftmaschine 4 angetrieben.