DE102005035298A1

DE102005035298A1 - Mechanischer Lader mit zweistufigem Getriebe

Info

Publication number: DE102005035298A1
Application number: DE200510035298
Authority: DE
Inventors: Hendrik Schramm; Rainer Wolf
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Lader (1) für einen Verbrennungsmotor, wobei der Lader (1) ein Getriebe (7) mit einem veränderlichen Übersetzungsverhältnis aufweist, einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Lader (1) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Lader (1). Um auf wirtschaftliche Weise eine gewisse bedarfsabhängige Anpassung der vom Lader zum Verbrennungsmotor zugeführten Luftmenge zwecks Senkung des Kraftstoffverbrauchs zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das Getriebe ein zweistufiges Getriebe (7) mit einer ersten und einer zweiten Getriebestufe ist, das entsprechend einer vorgegebenen Strategie umgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Lader für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Lader, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Lader.

Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen und anderen Fahrzeugen werden zur Leistungssteigerung häufig aufgeladen. Dazu wird die zur Verbrennung des Kraftstoffs in den Brennräumen benötigte Frischluft vor ihrer Zufuhr in die Brennräume verdichtet. Zur Verdichtung der Frischluft werden neben Abgasturboladern vorteilhaft auch mechanische Lader eingesetzt, wie zum Beispiel Lysholm-Schraubenverdichter, Spiralverdichter oder nach dem System Roots arbeitende Lader ohne oder mit innerer Verdichtung, die von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben werden. Der Antriebsstrang der meisten mechanischen Lader ist so ausgelegt, dass die Drehzahl der Kurbelwelle und die Drehzahl des Rotors bzw. der Rotoren des Laders ein festes Übersetzungsverhältnis aufweisen. Da der Lader für den Luftbedarf des Verbrennungsmotors bei Volllast ausgelegt werden muss, wird jedoch im Teillastbetrieb vom Lader mehr Luft verdichtet als vom Motor benötigt wird. Um zu verhindern, dass die gesamte verdichtete Luft in die Brennräume des Motors zugeführt wird, ist gewöhnlich eine Bypass-Ladedruckregelung vorgesehen, bei der ein Teil der vom Lader verdichteten Luft hinter dem Lader bzw. hinter einem dem Lader nachgeschalteten Luftkühler aus dem Ansaugluftstrom des Motors abgezweigt und durch eine zur Regelung der abgezweigten Luftmenge mit einer Drosselklappe versehene Bypassleitung wieder zum Eingang des Laders zurückgeführt wird. Da jedoch eine Bypass-Ladedruckregelung immer mit Verlusten behaftet ist, wird zur Reduzierung der Verluste und damit zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs des Motors angestrebt, den mechanischen Lader so zu betreiben, dass er immer nur die vom Motor gerade benötigte Luftmenge liefert. Um immer eine dem Bedarf entsprechende Luftmenge bereitzustellen, wäre es jedoch erforderlich, im Antriebsstrang des Laders ein stufenlos verstellbares Getriebe vorzusehen, das eine Vielzahl von einstellbaren Betriebspunkten erlaubt, wie zum Beispiel in der DE 101 16 264 A1 offenbart. Derartige vollvariable Laderantriebe sind jedoch konstruktiv relativ aufwendig, so dass sie bisher nicht wirtschaftlich eingesetzt werden können.

Eine weitere Möglichkeit der Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungsmotoren ist eine Betriebspunktverlagerung durch Verwendung eines längeren Getriebes. Dies führt jedoch zu einer Verschlechterung der Fahrleistung und der Spontaneität, was zur Vermeidung dieses Nachteils speziell im unteren Drehzahlbereich eine Verbesserung des Drehmoments erforderlich macht. Dies ist jedoch bei Verwendung eines mit einem einstufigen Übersetzungsverhältnis angetriebenen mechanischen Laders schwieriger als bei Verwendung eines Abgasturboladers, weil die Lieferkennlinien der üblicherweise eingesetzten mechanischen Lader nicht mit den Schluckkennlinien von Verbrennungsmotoren übereinstimmen und insbesondere im unteren Drehzahlbereich die vom Lader gelieferten Luftmengen zu gering sind. Diesem Problem könnte ebenfalls durch eine veränderliche Drehzahl des Laders und damit eine veränderliche Luftmenge entgegengewirkt werden, indem die letztere an den gewünschten Volllast-Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors angepasst wird.

Zur Veränderung der von einem mechanischen Lader in die Brennräume des Verbrennungsmotors zugeführten Luftmenge ist es auch bereits bekannt, den Antriebsstrang des Laders mit einer Kupplung zu versehen, so dass der Antriebsstrang bei Bedarf durch Ausrücken der Kupplung unterbrochen werden kann.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mechanischen Lader, einen mit dem Lader ausgestatteten Verbrennungsmotor und ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auf wirtschaftliche Weise eine gewisse bedarfsabhängige Anpassung der vom Lader zum Verbrennungsmotor zugeführten Luftmenge zwecks Senkung des Kraftstoffverbrauchs möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1, 16 sowie 21 und 22 angegebenen Merkmalskombinationen gelöst, wonach das Getriebe ein zweistufiges Getriebe mit einer ersten und einer zweiten Getriebestufe ist, das entsprechend einer vorgegebenen Strategie umgeschaltet wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Laderantrieb mit zwei verschiedenen Übersetzungsverhältnissen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite des Getriebes in Verbindung mit einer geeigneten Strategie für den Betrieb des Laders bzw. des mit dem Lader ausgestatteten Verbrennungsmotors ausreicht, damit sich ein beträchtlicher Teil der bei einer Bypass-Ladedruckregelung auftretenden Verluste vermei den und/oder das Drehmoment eines zur Verbrauchssenkung mit einem längeren Getriebe ausgestatteten Verbrennungsmotors im unteren Drehzahlbereich verbessern lässt.

Eine in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Lader bevorzugte Strategie zur Vermeidung von bei einer Bypass-Ladedruckregelung auftretenden Verlusten besteht darin, die erste Getriebestufe so auszulegen, dass der mechanische Lader etwas weniger oder gerade so viel Luft fördert, wie der Verbrennungsmotor ohne den mechanischen Lader im Volllastbetrieb benötigt, während die zweite Stufe vorzugsweise so ausgelegt wird, dass der mit höherer Drehzahl arbeitende Lader die für die gewünschte Nennleistung des Verbrennungsmotors benötigte Luftmenge liefert. Durch den Betrieb des Laders mit der langsameren ersten Getriebestufe wird vermieden, dass der Lader Luft verlustbehaftet durch die Bypassleitung pumpen muss, wodurch speziell im wichtigen Teillastbetrieb die Aufnahmeleistung und damit die Reibleistung des Verbrennungsmotors verringert wird, was sich auf den Kraftstoffverbrauch günstig auswirkt.

Eine in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Lader bevorzugte Strategie zur Verbesserung des Drehmoments im unteren Drehzahlbereich besteht darin, dass der Lader so lange mit der schnelleren zweiten Getriebestufe arbeitet, bis der Lader auch in der langsameren ersten Stufe eine für den Luftbedarf des Motors bei Volllast ausreichende Drehzahl aufweist, und dann auf die erste Getriebestufe umzuschalten, um nicht mehr Luft zu fördern als vom Motor benötigt wird, da diese dann wieder verlustbehaftet durch die Bypassleitung gepumpt werden müsste. Durch den Betrieb des Laders mit der schnelleren zweiten Getriebestufe im unteren Drehzahlbereich wird vom Lader mehr Luft in die Brennräume des Motors zugeführt, wodurch sich das Drehmoment verbessern lässt.

Das zweistufige Getriebe des Laders ist vorzugsweise in den Lader selbst integriert, das heißt im Inneren eines Gehäuses des Laders untergebracht, um zum einen die Gesamtbaugröße soweit wie möglich zu verkleinern und zum anderen für eine gewichtssparende akustische Abschirmung sowie für eine Einbindung in die Schmierung des Laders zu sorgen.

Das Getriebe kann zweckmäßig entweder ein zweistufiges Stirnradgetriebe oder ein zweistufiges Planetengetriebe sein, deren Übersetzungsverhältnis i zwischen einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang in der ersten Getriebestufe kleiner als in der zweiten Getriebestufe ist, wobei zur Vereinfachung der Konstruktion in der ersten Getriebestufe zweckmäßig i₁ gleich 1 und in der zweiten Getriebestufe i₂ größer als 1 ist.

Zum Umschalten zwischen der ersten Getriebestufe und der zweiten Getriebestufe ist das Getriebe mit einer Kupplung ausgestattet, die zweckmäßig als Magnetkupplung ausgebildet und vorzugsweise mindestens zum Teil außerhalb des gemeinsamen Gehäuses des Laders und des Getriebes angeordnet ist. Die Magnetkupplung wirkt vorteilhaft auf eine Riemenscheibe eines zwischen dem Lader und der Kurbelwelle angeordneten Riementriebs ein.

Um in der ersten Getriebestufe ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 zwischen dem Getriebeeingang und dem Getriebeausgang zu erhalten, ist die Riemenscheibe bei ausgerückter Kupplung zweckmäßig drehfest mit einer Ladereingangswelle des Laders verbunden, die gleichzeitig als Verdichterantriebswelle dient. Je nachdem, ob das zweistufige Getriebe als Stirnradgetriebe oder als Planetengetriebe ausgebildet ist, ist die vom Verbrennungsmotor angetriebene Riemenscheibe am Getriebeeingang bei eingerückter Kupplung entweder über zwei Stirnradpaare des Stirnradgetriebes mit der Ladereingangswelle verbunden oder treibt die letztere über einen Planetenträger des Planetengetriebes an, dessen Planetenräder im Zahneingriff mit einem drehfest mit der Ladereingangswelle verbundenen Sonnenrad und einem gehäusefesten Hohlrad stehen. Durch die Kombination zweier Stirnradpaare eines Stirnradgetriebes bzw. durch Drehung eines Planetenträgers in Bezug zu einem feststehenden Hohlrad eines Planetengetriebes wird dafür gesorgt, dass die Drehrichtung der Ladereingangswelle in beiden Getriebestufen dieselbe ist.

Um die sowohl in der ersten und in der zweiten Getriebestufe angetriebene und in der zweiten Getriebestufe schneller als die Riemenscheibe drehende Ladereingangswelle in der zweiten Getriebestufe von der Riemenscheibe zu entkoppeln, ist zwischen der Riemenscheibe und der Ladereingangswelle vorzugsweise ein Freilauf angeordnet.

Wenn der Lader ein zum Beispiel nach dem System Roots arbeitender Lader mit zwei synchron laufenden Rotoren ist, weist das Getriebe zweckmäßig vor dem Getriebeausgang eine zusätzliche integrierte Synchronisationsstufe auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines mechanischen Laders mit einem integrierten zweistufigen Stirnradgetriebe;
2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines weiteren mechanischen Laders mit einem integrierten zweistufigen Planetengetriebe.
Die beiden in der Zeichnung nur teilweise dargestellten, als Roots-Verdichter oder als Schraubenverdichter vom Typ Lysholm ausgebildeten, nach dem Verdrängungsprinzip mit oder ohne innere Verdichtung arbeitenden mechanischen Lader 1 für einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) eines Kraftfahrzeugs umfassen jeweils einen Verdichterteil 2, in dem zwei Drehkolben oder Rotoren 3 (nur einer dargestellt) mit parallelen Drehachsen nebeneinander in einer Ausnehmung 4 eines Gehäuses 5 des Laders 1 angeordnet sind, sowie einen Getriebeteil 6 mit einem zweistufigen Schaltgetriebe 7.
Der Lader 1 wird von der Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors über einen Riementrieb angetrieben. Der Riementrieb umfasst eine Riemenscheibe 8, die an einem Stirnende 9 des Laders 1 auf einer Ladereingangswelle 10 angeordnet ist und die beiden Drehkolben oder Rotoren 3 über das in den Lader 1 integrierte zweistufige Schaltgetriebe 7 treibt, das zwischen dem Verdichterteil 2 und dem Stirnende 9 des Laders 1 angeordnet und vom Ladergehäuse 5 umschlossen ist. Mit dem Schaltgetriebe 7 lassen sich zwischen der Drehzahl der Riemenscheibe 8 und der Drehzahl der Drehkolben oder Rotoren 3 zwei verschiedene Übersetzungsverhältnisse i₁ bzw. i₂ einstellen, deren Antriebspfade in der Zeichnung dargestellt und jeweils mit i₁ bzw. i₂ bezeichnet sind.
Das Schaltgetriebe 7 ist so ausgelegt, dass die Drehkolben oder Rotoren 3 in einer ersten der beiden Getriebestufen bei einem Übersetzungsverhältnis i₁ = 1 mit derselben Drehzahl wie die Riemenscheibe 8 angetrieben werden und sich in einer zweiten der beiden Getriebestufen bei einem Übersetzungsverhältnis i₂ > 1 mit einer höheren Drehzahl als die Riemenscheibe 8 drehen. Um eine synchrone Drehung der beiden Drehkolben oder Rotoren 3 sicherzustellen, ist eine zusätzliche Synchronisierungsstufe vorgesehen. Die Synchronisierungsstufe ist verdichterseitig im Getriebeteil 6 untergebracht und umfasst in bekannter Weise zwei miteinander kämmende Stirnräder 11, 12 mit gleicher Zähnezahl, von denen jedes drehfest mit einem der beiden Drehkolben oder Rotoren 3 verbunden ist.
Die Ladereingangswelle 10 erstreckt sich durch den Getriebeteil 6 hindurch bis in die Ausnehmung 4 des Verdichterteils 2, wo ihr eines Stirnende drehfest mit dem einen der beiden Drehkolben oder Rotoren 3 verbunden ist. Vor dem Eintritt in die Ausnehmung 4 durch eine Öffnung 13 in einer den Getriebeteil 6 vom Verdichterteil 2 trennenden Zwischenwand 14 trägt die Ladereingangswelle 10 das eine der beiden Stirnräder 11 der Synchronisierungsstufe, während das andere Stirnrad 12 der Synchronisierungsstufe im radialen Abstnd auf einer Rotorantriebswelle 15 montiert ist, die drehfest mit dem anderen der beiden Drehkolben oder Rotoren 3 verbunden ist. Die Ladereingangswelle 10 und die Rotorantriebswelle 15 sind in Bezug zum Ladergehäuse 5 drehbar gelagert.
Zum Umschalten des Schaltgetriebes 7 weist dieses an seinem antriebsseitigen Stirnende eine Magnetkupplung 16 auf, die eine außerhalb des Ladergehäuses 5 angeordnete Magnetspule 17, einen in der Nähe der Magnetspule angeordneten und aus ferromagnetischem Material bestehenden, in Bezug zum Lagergehäuse 5 und in Bezug zur Ladereingangswelle 10 um deren Drehachse drehbaren Kupplungstopf 18 mit einem der Riemenscheibe 8 zugewandten ebenen Stirnende, sowie eine dem ebenen Stirnende des Kupplungstopfes 18 gegenüberliegende, drehfest und axial verschiebbar mit der Riemenscheibe 8 verbundene Reibscheibe 19 umfasst, die bei Stromzufuhr in die Magnetspule 17 durch das in dieser induzierte Magnetfeld und den dadurch hervorgerufenen magnetischen Fluss im Kupplungstopf 18 gegen dessen ebenes Stirnende gezogen wird und den Kupplungstopf 18 dabei reibschlüssig mit der Riemenscheibe 8 kuppelt. Der Kupplungstopf 18 weist einen zur Ladereingangswelle 10 koaxialen, die Ladereingangswelle 10 umgebenden und am Stirnende 9 des Laders 2 ins Innere des Ladergehäuses 5 ragenden röhrenförmigen Wellenstumpf 20 auf. Der Wellenstumpf 20 des Kupplungstopfs 18 ist mittels zweier in axialem Abstand zwischen die Ladereingangswelle 10 und den Wellenstumpf 20 eingesetzter Drehlager 21, 22 drehbar auf der Ladereingangswelle 10 und mittels eines weiteren radial auswärts vom Wellenstumpf 20 zwischen diesen und das Ladergehäuse 5 eingesetzten Drehlagers 23 in Bezug zum Ladergehäuse 5 drehbar gelagert, so dass die Drehlager 21, 22, 23 an dieser Stelle für eine überbestimmte Lagerung sorgen.
Die Magnetkupplung 16 wird von einem Motorsteuergerät (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Motors ein- bzw. ausgerückt, zum Beispiel wenn die Drehzahl der Drehkolben oder Rotoren 3 des Laders 1 einen vorgegebenen Schwellenwert passiert.
Zwischen der Riemenscheibe 8 und dem antriebsseitigen Stirnende der Ladereingangswelle 10 ist ein Freilauf 24 angeordnet, der in der ersten Getriebestufe bei gleicher Drehzahl der Riemenscheibe 8 und der Ladereingangswelle 10 für eine drehfeste Kopplung der Ladereingangswelle 10 mit der Riemenscheibe 8 und in der zweiten Getriebestufe bei einer die Drehzahl der Riemenscheibe 8 übersteigenden Drehzahl der Ladereingangswelle 10 für eine Entkopplung der Ladereingangswelle 10 von der Riemenscheibe 8 sorgt.
Bei dem in 1 dargestellten Lader 1 ist das Schaltgetriebe 7 als Stirnradgetriebe ausgebildet. Das Getriebe 7 umfasst dort zwei Paare von Stirnrädern 25, 26 bzw. 27, 28, von denen das antriebsseitige Paar 25, 26 ein drehfest mit dem Wellenstumpf 20 des Kupplungstopfes 18 verbundenes erstes Stirnrad 25 und ein mit dem ersten Stirnrad 25 kämmendes, drehfest auf der Rotorantriebswelle 15 montiertes zweites Stirnrad 26 umfasst, dessen Zähnezahl z2 kleiner als die Zähnezahl z1 des ersten Stirnrades 25 ist, während das verdichterseitige Paar 27, 28 ein drehfest auf der Rotorantriebswelle 15 montiertes drittes Stirnrad 27 und ein mit dem dritten Stirnrad 27 kämmendes, drehfest auf der Ladereingangswelle 10 montiertes viertes Stirnrad 28 umfasst, dessen Zähnezahl z4 kleiner als die Zähnezahl z3 des dritten Stirnrades 27 ist.
In der ersten Getriebestufe werden bei nicht erregter Magnetspule 17 die Drehkolben oder Rotoren 3 durch die Kopplung zwischen der Riemenscheibe 8 und der Ladereingangswelle 10 mit derselben Drehzahl wie die Riemenscheibe 8 angetrieben, wie bereits angegeben. In der zweiten Getriebestufe wird bei erregter Magnetspule 17 die Reibscheibe 19 an den Kupplungstopf 18 herangezogen und der letztere dadurch reibschlüssig mit der Riemenscheibe 8 gekuppelt. Der von der Riemenscheibe 8 angetriebene Kupplungstopf 18 treibt seinerseits die Ladereingangswelle 10 über die beiden Stirnradpaare 25, 26; 27, 28 mit dem Übersetzungsverhältnis i₂ an, das entsprechend dem Produkt der Verhältnisse der Zähnezahlen z1/z2 und z3/z4 größer ist als 1, da jeder der beiden Faktoren z1/z2 bzw. z3/z4 größer ist als 1. Somit dreht sich die Ladereingangs welle 10 schneller als die Riemenscheibe 8, was durch die Entkopplung mit Hilfe des Freilaufs 24 ermöglicht wird.
Der in 2 dargestellte Lader 1 weist im Wesentlichen denselben Aufbau wie der in 1 dargestellte Lader 1 auf, außer dass das zweistufige Schaltgetriebe 7 als Planetengetriebe ausgebildet ist. Das Getriebe 7 umfasst dort ein Sonnenrad 29 mit der Zähnezahl z1, einen Planetenträger 30, der drei Planetenräder 31 (nur eines sichtbar) mit der Zähnezahl z2 trägt, sowie ein Hohlrad 32 mit der Zähnezahl z3. Der Planetenträger 30 ist drehfest mit dem Wellenstumpf 20 des Kupplungstopfes 18 verbunden, während das Sonnenrad 29 drehfest mit der Ladereingangswelle 10 und das Hohlrad 32 fest mit dem Ladergehäuse 5 verbunden ist. in der ersten Getriebestufe werden bei nicht erregter Magnetspule 17 die Drehkolben oder Rotoren 3 durch die Kopplung zwischen der Riemenscheibe 8 und der Ladereingangswelle 10 mit derselben Drehzahl wie die Riemenscheibe 8 angetrieben. Dabei dreht sich das Sonnenrad 29 mit der Ladereingangswelle 10 mit, wodurch die Planetenräder 31 im Hohlrad 32 abrollen und den Planetenträger 30 in Drehung versetzen, der wiederum den Kupplungstopf 18 im Leerlauf mitdreht. In der zweiten Getriebestufe wird bei erregter Magnetspule 17 die Reibscheibe 19 an den Kupplungstopf 18 herangezogen und der letztere reibschlüssig mit der Riemenscheibe 8 gekuppelt. Der von der Riemenscheibe 8 angetriebene Kupplungstopf 18 treibt den Planetenträger 30, der sich zusammen mit den im Hohlrad 32 abrollenden Planetenrädern 31 dreht und dadurch das Sonnenrad 29 und somit auch die Ladereingangswelle 10 antreibt. Mit i₂ = (1 + z3/z1) ergibt sich ein dabei Übersetzungsverhältnis i₂, das größer ist als das Übersetzungsverhältnis i₁ und somit auch größer als 1. Durch geeignete Wahl der Zähnezahlen z1 und z3 des Sonnenrades 29 bzw. des Hohlrades 32 kann dieses Übersetzungsverhältnis auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Mit den beiden zuvor beschriebenen Ladern 1 können somit die Drehkolben oder Rotoren 3 mit Übersetzungsverhältnissen i₁ = 1 und i₂ > 1 angetrieben werden, was bei einer Kombination des Laders 1 mit einer elektrischen Bypass-Ladedruckregelung eine beträchtliche Verbrauchsersparnis ermöglicht, wenn der Lader 1 durch eine geeignete Dimensionierung so ausgelegt wird, dass er beim Übersetzungsverhältnis i₁ = 1 der ersten Getriebestufe etwas weniger oder gerade so viel Luft fördert, wie der Verbrennungsmotor ohne einen mechanischen Lader im Volllastbetrieb benötigt, während das Übersetzungsverhältnis i₂ der zweiten Stufe vorzugsweise so gewählt wird, dass der Lader 1 die für die gewünschte Nennleistung des Verbrennungsmotors benötigte Luftmenge liefert.
Dadurch wird beim Betrieb des Laders 1 mit der ersten Getriebestufe vermieden, dass zuviel Luft verlustbehaftet durch die Bypass-Leitung gepumpt werden muss, wodurch speziell im Teillastbetrieb die Antriebsleistung des Laders 1 und damit der Kraftstoffverbrauch des Motors verringert werden kann.
Im Falle einer Betriebspunktverlagerung des Motors durch Verwendung eines längeren Getriebes können die beiden Lader 1 so lange in die schnellere zweite Getriebestufe umgeschaltet werden, bis ihre Drehkolben oder Rotoren 3 auch in der langsameren ersten Getriebestufe eine für den Luftbedarf des Motors bei Volllast ausreichende Drehzahl aufweisen, und können dann in die erste Getriebestufe umgeschaltet werden, so dass nicht mehr Luft als vom Motor benötigt gefördert wird, um eine verlustbehaftete Umwälzung durch die Bypassleitung zu vermeiden. Durch die Erhöhung der Drehzahl der Drehkolben oder Rotoren 3 der Lader 1 entsprechend dem gewünschten Drehmoment bzw. durch die Anpassung an den gewünschten Volllast-Drehmomentverlauf des Verbrennungsmotors lässt sich bei niedrigen Drehzahlen die Lieferkennlinie der Lader 1 erhöhen und damit das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich verbessern. In diesem Fall kann der Schwellenwert die Drehzahl der Drehkolben oder Rotoren 3 sein, so dass das Motorsteuergerät die Kupplung ausrückt, wenn diese Drehzahl einen vorbestimmten Wert übersteigt.

1: Lader
2: Verdichterteil
3: Rotoren bzw. Drehkolben
4: Ausnehmung
5: Ladergehäuse
6: Getriebeteil
7: zweistufiges Getriebe
8: Riemenscheibe
9: Stirnende Lader
10: Ladereingangswelle
11: Stirnrad Synchronisationsstufe
12: Stirnrad Synchronisationsstufe
13: Öffnung
14: Zwischenwand
15: Rotorantriebswelle
16: Magnetkupplung
17: Magnetspule
18: Kupplungstopf
19: Reibscheibe
20: Wellenstumpf
21: Drehlager
22: Drehlager
23: Drehlager
24: Freilauf
25: Stirnrad
26: Stirnrad
27: Stirnrad
28: Stirnrad
29: Sonnenrad
30: Planetenträger
31: Planetenrad
32: Hohlrad

Claims

Mechanischer Lader für einen Verbrennungsmotor, mit einem Getriebe mit einem veränderlichen Übersetzungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein zweistufiges Getriebe (7) mit einer ersten und einer zweiten Getriebestufe ist.
Mechanischer Lader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) in den Lader (1) integriert ist.
Mechanischer Lader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) und der Lader (1) von einem gemeinsamen Gehäuse (5) umschlossen sind.
Mechanischer Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übersetzungsverhältnis i₁ zwischen einem Getriebeeingang und einem Getriebeausgang in der ersten Getriebestufe 1 beträgt und in der zweiten Getriebestufe größer als 1 ist.
Mechanischer Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kupplung (16) zum Umschalten zwischen der ersten Getriebestufe und der zweiten Getriebestufe.
Mechanischer Lader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung eine Magnetkupplung (16) ist.
Mechanischer Lader nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht betätigter Kupplung (16) die ersten Getriebestufe und bei betätigter Kupplung (16) die zweite Getriebestufe eingerückt ist.
Mechanischer Lader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (16) mindestens teilweise außerhalb eines Ladergehäuses (5) angeordnet ist.
Mechanischer Lader nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (16) in der ersten Getriebestufe eine angetriebene Riemenschei be (8) am Getriebeeingang drehfest mit einer Ladereingangswelle (10) des Laders (1) verbindet, die mindestens einen Drehkolben oder Rotor (3) des Laders (1) antreibt.
Mechanischer Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) ein Stirnradgetriebe ist.
Mechanischer Lader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) zwei Paare von Stirnrädern (25, 26; 27, 28) umfasst, die in der zweiten Getriebestufe angetrieben werden.
Mechanischer Lader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) ein Planetengetriebe ist.
Mechanischer Lader nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7) ein gehäusefestes Hohlrad (32) umfasst, und dass in der zweiten Getriebestufe ein Planetenträger (30) angetrieben wird.
Mechanischer Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladereingangswelle (10) über einen Freilauf mit einer angetriebenen Riemenscheibe (8) am Getriebeeingang verbunden ist.
Mechanischer Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei synchronisierte Drehkolben oder Rotoren (3) und eine zusätzliche Synchronisationsstufe des Getriebes (7).
Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen mechanischen Lader (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (1) ausgelegt ist, um mit der ersten Getriebestufe eine Luftmenge zu liefern, die gleich oder kleiner ist als eine vom Verbrennungsmotor ohne den mechanischen Lader (1) bei Volllast benötigte Luftmenge und um mit der zweiten Getriebestufe eine für die gewünschte Nennleistung des Verbrennungsmotors benötigte Luftmenge zu liefern.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (1) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Laderdrehzahl mit der zweiten Getriebestufe und oberhalb der vorgegebenen Laderdrehzahl mit der ersten Getriebestufe betreibbar ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Laderdrehzahl eine Drehzahl ist, bei welcher der Lader (1) mit der ersten Getriebestufe eine Luftmenge liefert, die der vom Verbrennungsmotor bei Volllast benötigten Luftmenge entspricht.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (1) über einen Riementrieb mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem mechanischen Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (1) mit der ersten Getriebestufe eine Luftmenge liefert, die gleich oder kleiner als eine vom Verbrennungsmotor ohne den mechanischen Lader (1) bei Volllast benötigte Luftmenge ist, und dass der Lader (1) in der zweiten Getriebestufe eine für die gewünschte Nennleistung des Verbrennungsmotors benötigte Luftmenge liefert.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit einem mechanischen Lader nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lader (1) bis zum Erreichen einer vorgegebenen Laderdrehzahl mit der zweiten Getriebestufe und oberhalb der vorgegebenen Laderdrehzahl mit der ersten Getriebestufe betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Laderdrehzahl eine Drehzahl ist, bei welcher der Lader (1) mit der ersten Getriebestufe eine Luftmenge liefert, die der vom Verbrennungsmotor bei Volllast benötigten Luftmenge entspricht.