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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
welcher über einen Verdichter verdichtete Luft zugeführt
wird, wobei der Verdichter sowohl über eine Turbine eines
angeschlossenen Turboladers als auch über die Brennkraftmaschine
antreibbar ist.
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Bei
Brennkraftmaschinen lässt sich durch Aufladung, d. h. durch
Verdichtung der Frischluft, eine Leistungssteigerung bei gleichem
Hubraum im Vergleich zu einer nicht aufgeladenen Brennkraftmaschine
erzielen. Zur Aufladung von Brennkraftmaschinen werden beispielsweise
Turbolader, mechanisch angetriebene Verdichter oder Kombinationen aus
diesen beiden Einrichtungen eingesetzt. Mit solchen Einrichtungen
ausgestattete Brennkraftmaschinen, werden beispielsweise dynamisch
betrieben werden, wie dies z. B. bei Kfz-Motoren der Fall ist, d. h.,
mit einer Veränderung der Drehzahl während des Betriebs.
Solche Brennkraftmaschinen erfahren daher entsprechend des jeweiligen
Betriebszustandes unterschiedlich geeignete Aufladewirkungen.
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Während
bei Turboladern im unteren Drehzahlbereich eine zu geringe Aufladung,
d. h. ein Turboloch, auftreten kann, erzeugen mechanisch angetriebene
Verdichter bei hohen Drehzahlen zu hohe Ladedrücke. Deshalb
muss in diesem Fall durch geeignete Maßnahmen, wie beispielsweise
ein Ventil, ein Teil der Drucksteigerung abgebaut werden, wobei eine
entsprechende Energiemenge bzw. Leistung verloren geht.
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Aus
den zuvor genannten Gründen wurden daher Kombinationen
aus mechanisch angetriebenen Verdichtern und Turboladern entwickelt.
Im Bereich höherer Drehzahlen erfolgt das Verdichten der Frischluft
hierbei vorwiegend durch den Turbolader, während im Bereich
niedriger Drehzahlen, die Frischluft über den mechanisch
angetriebenen Verdichter verdichtet wird. Mit die ser Kombination
aus mechanisch angetriebenem Verdichter und Turbolader wird ein
verbessertes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine erreicht,
was vor allem in Form einer höheren Leistung pro Hubraumvolumen
zum Tragen kommt. Die Kombination der beiden Aufladeeinrichtungen
kann dabei auf verschiedene Weise erfolgen.
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In
der
DE 10 2005
004 122 A1 bzw. der
FR 2 876 151 A1 werden für die Kombination
aus einem mechanisch betriebenen Verdichter und einem Turbolader
Systeme vorgeschlagen, bei denen bestimmte Signale, z. B. Drehzahlen,
erfasst und verarbeitet werden. Diese dienen als Signale zur Ansteuerung
von Kupplungen. Diese Kupplungen haben die Aufgabe, den mechanisch
angetriebenen Verdichter und den Turbolader in geeigneter Weise
für die Verdichtungsarbeit an der Frischluft zu schalten.
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Das
Erfassen von Drehzahlen oder ähnlichen Signalen, das Verarbeiten
dieser Signale sowie das Ansteuern von Kupplungen ist konstruktiv
aufwendig und erfordert daher einen hohen Entwicklungs- und Integrationsaufwand
und bedingt eine Störanfälligkeit. Darüber
hinaus weisen die angesteuerten Kupplungen von Null verschiedene
Schaltzeiten auf. Damit tritt im Moment des Schaltens der Kupplung(en)
eine Unstetigkeit beim Verrichten der Verdichtungsarbeit auf, was
sich als störend auf das Betriebsverhalten der aufgeladenen
Brennkraftmaschine auswirkt.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine
bereitzustellen mit einer verbesserten Kombination aus einem mechanisch
angetriebenem Verdichter und einem Turbolader.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird
erfindungsgemäß ein Brennkraftmaschine bereitgestellt,
die mit einem Verdichter verbunden ist, über wel chen der
Brennkraftmaschine verdichtete Luft zugeführt werden kann,
- – wobei der Verdichter sowohl über
eine Turbine eines Turboladers als auch über die Brennkraftmaschine
antreibbar ist, um Luft zu verdichten,
- – wobei zum Antreiben des Verdichters, der Verdichter über
eine selbstschaltende Kupplungseinrichtung mit der Brennkraftmaschine
bzw. der Turbine kuppelbar ist.
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Die
Brennkraftmaschine hat dabei den Vorteil, dass durch die selbstschaltende
Kupplungseinrichtung ein automatisches Umschalten zwischen einem
Antrieb des Verdichters durch die Brennkraftmaschine und die Turbine
erfolgt. Es müssen hierbei keine Signale gemessen und ausgewertet
werden, um zu bestimmen wann umgeschaltet wird. Ein weiterer Vorteil
ist, dass hierdurch keine Schaltverzögerung entsteht. Des
Weiteren lässt sich eine solche selbstschaltende Kupplungseinrichtung
leicht integrieren, wodurch eine zusätzliche Kostenersparnis
gegeben ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Brennkraftmaschine ein Getriebe auf, wobei beispielsweise
eine Kurbelwelle der Brennkraftmaschine mit dem Getriebe verbunden
ist. Das Getriebe kann hierbei beispielsweise einstufig, zweistufig
oder mehrstufig ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Getriebe
beispielsweise derart ausgebildet sein, dass es die Drehzahl der
Kurbelwelle der Brennkraftmaschine unverändert überträgt
oder vervielfacht. Ein solches Getriebe hat den Vorteil, dass über
die Übersetzung des Getriebes der Antrieb des Verdichters
durch die Brennkraftmaschine genau eingestellt werden kann. Insbesondere
lässt sich auf diese Art eine Synchrondrehzahl bzw. ein
Synchrondrehzahlbereich einstellen, bei welcher der Verdichter,
die Brennkraftmaschine bzw. deren Getriebe und die Turbine die gleiche
bzw. im Wesentlichen die gleiche oder nahezu die gleiche Drehzahl
aufweisen.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
lässt sich die Synchrondrehzahl bzw. der Synchrondrehzahlbereich
nicht nur über das Getriebe sondern beispielsweise auch über
eine variable Turbinengeometrie oder eine variable Verdichtergeometrie
einstellen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Möglichkeiten
oder Kombinationen von Möglichkeiten beschränkt,
um die Synchrondrehzahl bzw. den Synchrondrehzahlbereich geeignet
einzustellen, so dass beispielsweise der Wirkungsgrad des Systems
aus Brennkraftmaschine und Turbolader gesteigert werden kann.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Getriebe beispielsweise ein Zahnradgetriebe und/oder ein
Riemengetriebe. Ein Zahnradgetriebe bzw. Riemengetriebe hat den
Vorteil, dass es leicht zu realisieren ist. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf diese Art von Getriebe oder Getriebekombination beschränkt.
Es ist offensichtlich dass eine Vielzahl von Getrieben bzw. Getriebekombinationen
verwendet werden können.
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Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Synchrondrehzahl bzw. der Synchrondrehzahlbereich, bei welcher
das Getriebe, der Verdichter und die Turbine die gleiche bzw. im Wesentlichen
die gleiche oder eine ähnliche Drehzahl aufweisen, beispielsweise
derart eingestellt, so dass ein möglichst frühes
Umschalten von einem Kompressorbetrieb auf einen Turbobetrieb erzielbar ist.
Das erlaubt eine möglichst hohe Wirkungsgradsteigerung,
da die Leistung zur Verrichtung der Verdichtungsarbeit möglichst
schnell aus dem Abgas gewonnen werden kann. Beispielsweise kann
die Synchrondrehzahl bzw. der Synchrondrehzahlbereich derart eingestellt
sein, so dass ein Umschalten von einem Kompressorbetrieb auf einen
Turbobetrieb dann erfolgt, vergleichbar einem normalen Turbolader,
wenn dieser normale Turbolader im Betrieb bei einem Fahrzeug spürbare
Aufladewirkung erzielt. Grundsätzlich kann die Synchrondrehzahl
bzw. der Synchrondrehzahlbereich beliebig variiert werden, je nach
Funktion und Einsatzzweck.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist, wenn die Drehzahl der Turbine unterhalb der Synchrondrehzahl
bzw. des Synchrondrehzahlbereichs ist, die Brennkraftmaschine über die
Kupplungseinrichtung mit dem Verdichter gekuppelt und treibt diesen
an. Übersteigt die Drehzahl der Turbine die Synchrondrehzahl
bzw. den Synchrondrehzahlbereich, so ist die Brennkraftmaschine
von dem Verdichter über die Kupplungseinrichtung entkuppelt,
während die Turbine über die Kupplungseinrichtung
mit dem Verdichter gekuppelt ist, um diesen anzutreiben. Auf diese
Weise erfolgt ein automatisches Umschalten zwischen einem Kompressorbetrieb
auf einen Turbobetrieb.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist die Kupplungseinrichtung wenigstens ein oder zwei selbstschaltende
Kupplungen auf, wobei die Kupplungen beispielsweise Freilaufkupplungen
und/oder Fliehkraftkupplungen sind. Solche Freilaufkupplungen haben
den Vorteil, dass sie einfach zu integrieren sind. Außerdem
erfolgt das Kuppeln bei diesen selbstschaltenden Kupplungen automatisch,
d. h. die Kupplungen müssen nicht beispielsweise über
eine Motorsteuerung angesteuert werden. Die Erfindung ist dabei
nicht auf Freilaufkupplungen und Fliehkraftkupplungen als selbstschaltende
Kupplungen beschränkt, diese dienen lediglich als Beispiele
hierfür.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist der Verdichter einen ersten und einen zweiten Wellenausgang
auf, wobei der erste Wellenausgang über eine erste selbstschaltende
Kupplung mit der Brennkraftmaschine verbunden ist und der zweite
Wellenausgang über eine zweite selbstschaltende Kupplung
mit der Turbine. In einer anderen erfindungsgemäßen
Ausführungsform weist der Verdichter statt zwei Wellenausgängen
nur einen Wellenausgang auf, wobei der Wellenausgang des Verdichters über
eine erste selbstschaltende Kupp lung mit der Brennkraftmaschine
verbunden ist und über eine zweite selbstschaltende Kupplung
mit der Turbine. Solche Verdichter mit einem oder zwei Wellenausgängen
werden im Allgemeinen derzeit eingesetzt und können daher
leicht ausgerüstet werden mit der selbstschaltenden Kupplungseinrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines Turboladers mit einem Aufladesystem gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung; und
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2 eine
schematische Ansicht eines Turboladers mit einem Aufladesystem gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Die
Erfindung stellt eine Kombination aus einem mechanisch antreibbaren
Verdichter 3 und einem Turbolader 17 bereit, welche
zum geeigneten Umschalten von einem Kompressorbetrieb auf einen Turbobetrieb
und umgekehrt ein System von selbstschaltetenden Kupplungen 4, 5 aufweist.
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Eine
erste Ausführungsform des Turboladers mit einem mechanisch
antreibbaren Verdichter ist in 1 dargestellt.
Der Turbolader 17 weist dabei eine Turbine 2 und
einen Verdichter 3 auf, wobei der Verdichter 3 sowohl
mechanisch über ein Getriebe bzw. einen Hochtrieb 14 durch
die Brennkraftmaschine 1 als auch über die Turbine 2 angetrieben
werden kann. Das Getriebe 14 bzw. der Hochtrieb 14,
wie er in 1 dargestellt ist, wird beispielsweise
durch ein Zahnradgetriebe umgesetzt. Dieses kann, wie in 1 beispielhaft
dargestellt ist, ein stufig über beispielsweise zwei Zahnräder 15, 16 ausgeführt
sein oder aber auch mehrstufig (nicht dargestellt).
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Zum
Schalten zwischen einem mechanischen Antrieb des Verdichters 3 und
einem Antrieb über die Turbine 2 sind des Weiteren
zwei selbstschaltende Kupplungen 4 und 5 vorgesehen,
die beispielsweise als sog. Freiläufe und/oder Fliehkraftkupplungen
ausgeführt sind. In den beiden Ausführungsformen,
wie sie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben
sind, werden beispielsweise Freilaufkupplungen verwendet.
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Freiläufe übertragen
im Allgemeinen zwischen zwei Wellen ein Drehmoment und eine Leistung,
wenn entsprechend der Ausführung des Freilaufs die Drehzahl
der einen Welle höher als die der anderen Welle ist. Kehrt
sich das Verhältnis der Drehzahlen beider Wellen jedoch
um, so überträgt der Freilauf kein Drehmoment
und damit auch keine Leistung. Das Schalten des Freilaufs erfolgt
somit ohne ein äußeres Signal rein mechanisch.
Weiterhin erfolgt das Schalten eines Freilaufs im Wesentlichen ohne
eine Schaltzeit.
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1 zeigt
nun eine Brennkraftmaschine 1, d. h. einen Motor, der mit
dem Turbolader 17 verbunden ist. Genauer gesagt ist die
Brennkraftmaschine 1 über eine Kurbelwelle 6 und
ein Getriebe 14, hier einen Hochtrieb, mit einer ersten
Kupplung 4, hier einem ersten Freilauf 4 verbunden.
Der Freilauf 4 ist wiederum mit einem ersten Wellenausgang 7 des Verdichters 3 verbunden. Über
die erste Kupplung 4 kann der Verdichter 3 dabei
mit dem Getriebe 14 der Brennkraftmaschine 1 gekuppelt
werden, um über die Brennkraftmaschine 1 mechanisch
angetrieben zu werden. Das Getriebe 14 bzw. der Hochtrieb
ist dabei so ausgebildet, dass es die Drehzahl der Kurbelwelle 6 der
Brennkraftmaschine 1 vervielfacht, wobei es abtriebseitig
mit dem ersten Freilauf 4 verbunden ist.
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Der
Verdichter 3 weist hierbei eine Frischluftzufuhr 10 auf, über
die Luft aufgenommen und durch den Verdichter 3 verdichtetet
wird, wobei die verdichtete Luft über die Frischluftab fuhr 11 dem
Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
wird. Wahlweise kann hierbei zusätzlich im Ansaugtrakt
beispielsweise ein Ladeluftkühler vorgesehen werden zum
Kühlen der Luft bevor sie der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
wird.
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Ein
zweiter Wellenausgang 8 des Verdichters 3 ist
mit einer zweiten Kupplung 5, hier einem zweiten Freilauf 5,
verbunden. Über diese zweite Kupplung 5 kann nun
der Verdichter 3 bzw. dessen zweiter Wellenausgang 8 mit
einer Abtriebswelle 9 der Turbine 2 gekuppelt
werden, so dass der Verdichter 3 über die Turbine 2 angetrieben
werden kann.
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Die
Turbine 2 weist hierbei eine Abgaszuführung 12 auf, über
die die Turbine 2 mit heißem Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 beaufschlagt
wird. Das Abgas treibt hierbei die Turbine 2 an und die
Turbine 2 wiederum den Verdichter 3. Dabei ist
an der Turbine 2 eine entsprechende Abgasabfuhr 13 angeordnet, über
die das Abgas nachdem es über ein Turbinenrad der Turbine 2 geleitet
wurde in Richtung Abgastrakt abgeführt wird.
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Im
Bereich niedriger Motordrehzahlen erbringt die Turbine 2 aufgrund
des geringen Abgasmassenstroms und der geringen Abgasenthalpie keine
ausreichende Leistung, um den Verdichter 3 wirkungsvoll
anzutreiben. Die Brennkraftmaschine 1 liefert daher in
diesem Bereich die Antriebsleistung für den Verdichter 3.
Durch den Hochtrieb 14 wird dabei die Drehzahl der Kurbelwelle 6 in
geeigneter Weise übersetzt. Damit besitzt der Hochtrieb 14 abtriebsseitig
eine höhere Drehzahl als die Turbine 2.
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Die
beiden Freiläufe 4, 5 sind wiederum so vorgesehen
bzw. verbaut, dass in diesem Betriebsbereich der erste Freilauf 4 den
Abtrieb des Hochtriebs 14 mit dem Verdichter 3 kuppelt
und der zweite Freilauf 5 die Turbine 2 vom Verdichter 3 entkoppelt. Es
liegt hierbei also ein sog. Kompressorbetrieb vor, in welchem die
Brennkraftmaschine 1 den Verdichter 3 mechanisch
antreibt, während dieser von der Turbine 2 entkoppelt
ist.
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Beim
Hochdrehen der Brennkraftmaschine 1 bleibt diese Schaltsituation
der Kupplungen bzw. der Freiläufe 4, 5 nun
so lange bestehen, bis die Drehzahl der Turbine 2 infolge
des ansteigenden Abgasmassenstroms und der ansteigenden Abgasenthalpie
die momentane abtriebsseitige Drehzahl des Hochbetriebs 14 erreicht.
Diese Drehzahl wird als Synchrondrehzahl bezeichnet. In diesem Moment besitzen
der Abtrieb des Hochtriebs 14, der Verdichter 3 und
die Turbine 2 die gleiche Drehzahl. Bei weiterem Hochdrehen
der Brennkraftmaschine 1 übersteigt nun die Drehzahl
der Turbine 2 die abtriebsseitige Drehzahl des Hochtriebs 14.
Dabei wird die Schaltsituation der Freiläufe 4, 5 unterhalb
der Synchrondrehzahl invertiert, d. h. der Verdichter 3 wird nun
ausschließlich von der Turbine 2 angetrieben.
Es liegt also ein Turbobetrieb vor, in welchem der Verdichter 3 von
der Brennkraftmaschine 1 entkuppelt ist und stattdessen
mit der Turbine 2 gekuppelt ist und von dieser angetrieben
wird.
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Der
Brennkraftmaschine 1 wird dabei nun keine mechanische Leistung über
die Kurbelwelle 6 mehr entnommen. Die Leistung zum Antrieben
des Verdichters 3 wird in diesem Betriebsbereich ausschließlich
aus der im Abgas enthaltenen Energie gewonnen. Dies erhöht
den Wirkungsgrad des Systems im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine
ohne Turboaufladung.
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Statt
einer Synchrondrehzahl kann aber auch ein Synchrondrehzahlbereich
vorgegeben sein, in welchem die Drehzahl des Hochtriebs 14,
des Verdichters 3 und der Turbine 2 im Wesentlichen
oder nahezu die gleiche Drehzahl aufweisen. Abhängig davon,
ob beispielsweise die Turbinendrehzahl nun den Synchrondrehzahlbereich
unterschreitet oder überschreitet wird die Turbine 2 von
dem Verdichter 3 entkuppelt oder mit diesem gekuppelt.
Die Synchrondrehzahl bzw. der Synchrondrehzahlbereich kann dabei
beispielsweise über das Getriebe 14, über
eine variable Turbinengeometrie (VTG) und/oder eine variable Verdichtergeometrie
usw. eingestellt werden. Dies gilt für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen.
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2 zeigt
nun das gleiche Prinzip wie 1. Der Unterschied
zwischen den Ausführungsformen in 1 und 2 liegt
im Wesentlichen in der konstruktiven Gestaltung der Verbindung von mechanisch
antreibbarem Verdichter und Turbolader. Während in 1 ein
Verdichter 3 mit zwei Wellenausgängen 7, 8 verwendet
wird, basiert 2 auf einem Verdichter 3 mit
nur einem Wellenausgang 9.
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Gemäß der
zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wie sie in 2 gezeigt ist, ist eine Brennkraftmaschine 1 über
ihre Kurbelwelle 6 mit einem Getriebe 14, hier
einem Hochtrieb, verbunden. Das Getriebe 14 bzw. der Hochtrieb 14,
wird dabei, wie in der ersten Ausführungsform, beispielsweise durch
ein Zahnradgetriebe umgesetzt. Dieses kann, wie in 2 beispielhaft
gezeigt ist, einstufig über z. B. zwei Zahnräder 15, 16 ausgeführt
sein oder aber auch mehrstufig (nicht dargestellt). Das Getriebe 14 ist
dabei so ausgebildet, dass es die Drehzahl der Kurbelwelle 6 der
Brennkraftmaschine 1 vervielfacht.
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Dabei
ist das Getriebe 14 über eine erste Kupplung 4,
hier ein erster Freilauf 4, mit einer Antriebswelle 9 des
Verdichters 3 verbunden bzw. koppelbar. Über eine
Frischluftzufuhr 10 wird dabei Frischluft in den Verdichter 3 eingesaugt
und verdichtet, um über die Frischluftaufuhr 11 dem
Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
zu werden. Wahlweise kann hierbei ebenfalls zusätzlich
im Ansaugtrakt beispielsweise ein Ladeluftkühler vorgesehen
werden zum Kühlen der Luft bevor sie der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
wird.
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Die
Antriebswelle 9 des Verdichters 3 ist wiederum
mit einem zweiten Freilauf 5 verbunden, mit dem der Verdichter 3 über
seine Antriebswelle 9 mit einer Turbine 2 des
Turboladers 17 gekuppelt werden kann.
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Die
Turbine 2 weist hierbei eine Abgaszuführung 12 auf, über
die der Turbine 2 heißes Abgas aus der Brennkraftmaschine 1 zugeführt
wird. Das Abgas treibt dabei die Turbine 2 an und die Turbine 2 wiederum
den Verdichter 3. Dabei ist an der Turbine 2 eine
entsprechende Abgasabfuhr 13 angeordnet, über
die das Abgas nachdem es über ein Turbinenrad der Turbine 2 geleitet
wurde in Richtung Abgastrakt abgeführt wird.
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Die
Turbine 2 erbringt nun im Bereich niedriger Motordrehzahlen
aufgrund des geringen Abgasmassenstroms und der geringen Abgasenthalpie
keine ausreichende Leistung, um den Verdichter 3 wirkungsvoll
anzutreiben. Daher liefert die Brennkraftmaschine 1 in
diesem Bereich die Antriebsleistung für den Verdichter 3.
Mit Hilfe des Getriebes 14 bzw. des Hochtriebs 14 wird
hierbei die Drehzahl der Kurbelwelle 6 in geeigneter Weise übersetzt.
Der Hochtrieb 14 verfügt daher abtriebsseitig über
eine höhere Drehzahl als die Turbine 2.
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Wie
in der ersten Ausführungsform sind die beiden Freiläufe 4, 5 so
vorgesehen bzw. verbaut, dass in diesem Betriebsbereich der erste
Freilauf 4 den Abtrieb des Getriebes bzw. des Hochtriebs 14 mit
dem Verdichter 3 kuppelt. Der zweite Freilauf 5 entkoppelt
wiederum die Turbine 2 von dem Verdichter 3. In
diesem Fall liegt ein sog. Kompressorbetrieb vor. Im Kompressorbetrieb
treibt die Brennkraftmaschine 1 den Verdichter 3 mechanisch
an, während dieser von der Turbine 2 entkoppelt
ist.
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Diese
Schaltsituation der Kupplungen bzw. der Freiläufe 4, 5 bleibt
nun beim Hochdrehen der Brennkraftmaschine 1 so lange bestehen,
bis die Drehzahl der Turbine 2 infolge des ansteigenden
Abgasmassenstroms und der ansteigenden Abgasenthalpie die momentane
abtriebsseitige Drehzahl des Getriebes bzw. des Hochbetriebs 14 erreicht.
Diese Drehzahl wird als Synchrondrehzahl bezeichnet. In diesem Moment
besitzen der Abtrieb des Hochtriebs 14, der Verdichter 3 und
die Turbine 2 die gleiche Drehzahl. Bei einem weiterem
Hochdrehen der Brennkraftmaschine 1 übersteigt
dann die Drehzahl der Turbine 2 die abtriebsseitige Drehzahl
des Getriebes bzw. des Hochtriebs 14.
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In
diesem Fall wird dann die Schaltsituation der Freiläufe 4, 5 unterhalb
der Synchrondrehzahl invertiert bzw. umgedreht. Das bedeutet, dass
der Verdichter 3 dann nur noch ausschließlich
von der Turbine 2 angetrieben wird. Somit liegt also ein
Turbobetrieb vor. In diesem Turbobetrieb ist der Verdichter 3 von
der Brennkraftmaschine 1 entkuppelt während er gleichzeitig über
den zweiten Freilauf 5 mit der Turbine 2 gekuppelt
ist, um von dieser angetrieben zu werden.
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Mit
anderen Worten, in dem Fall des Turbobetriebs wird der Brennkraftmaschine 1 keine
mechanische Leistung über die Kurbelwelle 6 entnommen.
Die Leistung zum Antreiben des Verdichters 3 wird in diesem
Betriebsbereich ausschließlich aus der im Abgas enthaltenen
Energie gewonnen, was den Wirkungsgrad des Systems im Vergleich
zu einer Brennkraftmaschine ohne Turboaufladung erhöht.
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Statt
einer festen Synchrondrehzahl kann hier ebenfalls ein Synchrondrehzahlbereich
vorgegeben werden, um einen möglichst sanften Übergang bei
dem Hin- und Herschalten zwischen Kompressorbetrieb und Turbobetrieb
zu erzielen.
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Ein
Vorteil der dargestellten Ausführungsformen der selbstschaltenden
Aufladesysteme ist, dass zur Ansteuerung der selbstschaltenden Kupplungen kein
Signal erfasst und verarbeitet werden muss. Dies reduziert die Komplexität
und die Störanfälligkeit des Systems im Vergleich
zu den bisherigen Lösungen und ermöglicht außerdem
geringere Entwicklungs- und Herstellungskosten.
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Weiterhin
ermöglicht ein selbstschaltendes Aufladesystem eine deutlich
einfachere Integration, da der Turbobetrieb und der Kompressorbetrieb
nicht aktiv gesteuert oder geregelt werden müssen. Zur Abstimmung
des selbstschaltenden Aufladesystems auf die Brennkraftmaschine,
insbesondere bei der Einstellung der Synchrondrehzahl, kann auf
Komponenten aus dem Stand der Technik zurückgegriffen werden,
die zur Regelung bzw. Steue rung bei Turboladern bereits eingesetzt
werden. Dazu gehören beispielsweise die variable Turbinengeometrie
(VTG), die variable Verdichtergeometrie, Waste-Gates bzw. Bypässe
usw..
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Das
System weist des Weiteren im Wesentlichen praktisch keine Schaltzeiten
auf, da im Bereich der Synchrondrehzahl ein fließender
Wechsel von Kompressorbetrieb auf Turbobetrieb stattfindet. Im Gegensatz
zu bisherigen Lösungen weist dieses System daher ein stetiges
Betriebsverhalten auf, was sich als vorteilhaft für das
Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine erweist. Der Verdichter
bleibt beim Hochdrehen der Brennkraftmaschine ununterbrochen unter
Last.
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Im
Gegensatz zu den bisherigen Lösungen weist die in den 1 und 2 dargestellte
konstruktive Gestaltung außerdem ein verhältnismäßig niedriges
Massenträgheitsmoment für die rotierenden Teile
der Turboladereinheit auf, d. h. der Turbine, des Verdichter, der
Welle und der Freiläufe. Damit wird ein möglichst
frühes Umschalten von einem Kompressorbetrieb auf einen
Turbobetrieb beim Hochdrehen der Brennkraftmaschine ermöglicht,
beispielsweise bei einer möglichst niedrigen Synchrondrehzahl.
Das erlaubt eine möglichst hohe Wirkungsgradsteigerung,
da die Leistung zur Verrichtung der Verdichtungsarbeit an der Frischluft
möglichst schnell aus dem Abgas gewonnen wird. Die mit
der Erfindung realisierbare Kombination von relativ hohem Ladedruck
im Bereich niedriger Drehzahlen der Brennkraftmaschine infolge des
Kompressorbetriebs, das stetige Betriebsverhalten beim Umschalten
von Kompressorbetrieb auf Turbobetrieb sowie die Einstellbarkeit
der Synchrondrehzahl bzw. des Synchrondrehzahlbereichs erlauben
eine vorteilhafte Verbindung von Dynamik und Kraftstoffeffizienz.
Dabei kommen die der Erfindung zu Grunde liegenden Merkmale von
guter Ladewirkung und stetigem Betriebsverhalten im gesamten Drehzahlbereich
sowie die erzielbare Verringerung der Masse der Brennkraftmaschine,
verglichen mit einer Brennkraftmaschine gleicher Leistung ohne erfindungsgemäßer Ausrüstung,
zum Tragen. Darüber hinaus erlauben der relativ einfache
Aufbau der Erfindung sowohl eine relativ einfache tech nische Integration
in das System Brennkraftmaschine als auch geringe Entwicklungskosten.
Die Brennkraftmaschine besitzt gegenüber den bisherigen
Lösungen konstruktive, systematische, regelungstechnische
und kostenbedingte Vorteile.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige
Art und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale
davon.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere nicht auf die beiden zuvor
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es
ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass
es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, wie eine, zwei
oder mehr selbstschaltbare Kupplungen angeordnet werden können,
so dass ein Verdichter einmal über eine Brennkraftmaschine
und einmal über eine Turbine eines Turboladers angetrieben
werden kann. Des Weiteren ist die Erfindung auch nicht auf Freilaufkupplungen
und Fliehkraftkupplungen beschränkt. Weiter ist die Erfindung
auch nicht auf die Ausgestaltung des Getriebes als Zahnradgetriebe
beschränkt. Grundsätzlich kann jede Art von Getriebe
bzw. Getriebekombination verwendet werden, wie beispielsweise einem
Riemenantrieb oder einem Zahnriemenantrieb usw... Wahlweise auch
in Kombination mit einem Zahnradgetriebe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005004122
A1 [0005]
- - FR 2876151 A1 [0005]