DE102010036660B4

DE102010036660B4 - Sekundärluftvorrichtung

Info

Publication number: DE102010036660B4
Application number: DE102010036660.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Baum
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2023-03-23
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: DE102010036660A1

Abstract

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Getriebeeinheit (2), wobei dem Verbrennungsmotor (1) eine Abgasanlage (4) mit mindestens einer Abgasreinigungseinrichtung (5, 6) nachgeschaltet ist, und Sekundärluft mit Hilfe einer mit einer Gebläseeinrichtung (15) versehenen Sekundärluftvorrichtung in die Abgasanlage (4) einblasbar ist, wobei die Gebläseeinrichtung (15) ein Gebläse-Schaufelrad (10, 10') umfasst, das mit einer rotierenden Antriebskomponente der Antriebsvorrichtung in Rotationsmitnahme steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläserad-Schaufeln (27) mit einstellbarem Anstellwinkel relativ zu der Antriebskomponente drehbar gelagert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beim Betrieb von modernen Brennkraftmaschinen wird zur Einstellung einer optimalen Betriebstemperatur in einem Abgaskatalysator Sekundärluft in die Abgasanlage der Brennkraftmaschine stromabwärts der Auslassventile eingeblasen. Die Sekundärluft wird üblicherweise von einer separat ausgebildeten Sekundärluftpumpe geliefert und über Sekundärluftleitungen zur Abgasanlage derart geführt, dass sich die Sekundärluft mit unverbrannten Kraftstoffanteilen vermischt, um eine Nachverbrennung von unverbrannten Kraftstoffanteilen im Abgas innerhalb des Abgaskatalysators zu bewirken. Mit der Einblasung der Sekundärluft in die Abgasanlage wird der Sauerstoffgehalt im Abgas erhöht und somit eine schnelle Aufheizung des Katalysators, insbesondere während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erzielt.
Aus der DE 197 30 905 C1 ist bekannt, die Sekundärluftpumpe entfallen zu lassen und diese durch eine Luftförderanordnung der Motorkühlung zu ersetzen. Darüber hinaus ist in der DE 90 11 256 U1 ein Rasenmäher mit einem luftgekühlten Verbrennungsmotor beschrieben, dessen Kurbelwelle mit einem Gebläserad zur Kühlung des Motors verbunden ist. Ein Teil der Motorkühlluft wird abgezweigt und der Abgasanlage als Sekundärluft zugeführt. Außerdem ist aus der US 3 797 242 A eine Lichtmaschine bekannt, in die eine Sekundärluftpumpe integriert ist. Sekundärluftpumpen, die mit einem Motor in Wirkkontakt stehen sind beispielsweise aus der US 3 116 596 A und aus der EP 0 717 176 A1 bekannt. Darüberhinaus sind aus der DE 10 2008 000 325 A1 und der US 3 116 596 A Radialverdichter mit verstellbaren Schaufeln bekannt.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Gebläseeinrichtungen bekannt, die ein Gebläse-Schaufelrad umfassen, das mit einer rotierenden Antriebskomponente einer Antriebsvorrichtung in Rotationsmitnahme steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug eine Sekundärluftvorrichtung dahingehend zu optimieren, dass die von einem verbauten Gebläse-Schaufelrad geförderte Luftmenge variiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gebläserad-Schaufeln mit einstellbarem Anstellwinkel relativ zu der Antriebskomponente drehbar gelagert sind. Die erfindungsgemäße Lösung sieht vor, dass die Gebläserad-Schaufeln variabel über die Drehzahl verstellt werden können, so dass die geförderte Luftmenge darüber variiert werden kann. Das Gebläse-Schaufelrad ist in die rotierende Antriebskomponente integriert oder an dieser angebracht. Somit wird das Gebläserad mit rotiert und eine Pumpwirkung zur Förderung von Sekundärluft mit kostengünstigen Mitteln bewirkt. Durch die Integration des Gebläse-Schaufelrades innerhalb einer rotierenden Antriebskomponente kann das Gebläse-Schaufelrad derart dimensioniert sein, dass bei kleinen Motordrehzahlen große Mengen an Sekundärluft erzeugt werden. Eine separate Sekundärluftgebläseeinrichtung, die üblicherweise einen zusätzlichen Bauraum im Motorraum beansprucht, ist nicht erforderlich.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gebläse-Schaufelrad an einem Schwungrad der Brennkraftmaschine oder alternativ innerhalb der Getriebeeinheit, insbesondere an einem Drehmomentwandler des Getriebes, positioniert. Durch eine entsprechende Positionierung des Gebläserades kommt eine Gebläsefunktion durch die Rotation des Schwungrades bzw. des Wandlers zustande, so dass ein vom Gebläse-Schaufelrad generierter Luftstrom gezielt in eine Abgasanlage der Brennkraftmaschine geführt werden kann. Eine separat ausgebildete Sekundärluftpumpe entfällt. Das Gebläse-Schaufelrad ist mit dem Schwungrad oder dem Drehmomentwandler derart verbunden, dass das Gebläse-Schaufelrad beispielsweise vom Schwungrad oder vom Drehmomentwandler angetrieben wird.
Vorzugsweise ist das Gebläse-Schaufelrad in einem Gehäuse positioniert, das unmittelbar in der Nähe des Schwungrades oder innerhalb der Getriebeeinheit positioniert ist, so dass Sekundärluft durch die Rotation des Schwungrades oder einer Getriebeeingangswelle der Abgasanlage zugeführt wird. Durch die Unterbringung der Gebläseeinrichtung der Sekundärluftvorrichtung innerhalb der Getriebeeinheit wird eine flexible Positionierung bzw. Anordnung des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Antriebsvorrichtung zusätzlich eine als Generator betreibbare elektrische Antriebsmaschine, so dass das Fahrzeug als Hybridfahrzeug betrieben werden kann, wobei das Gebläse-Schaufelrad an der elektrischen Antriebsmaschine angeordnet ist. Durch eine entsprechende Positionierung des Gebläse-Schaufelrads am Elektromotor des Hybridfahrzeugs kann ein vom Gebläse-Schaufelrad generierter Luftstrom gezielt in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors geführt werden.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die vom Gebläse-Schaufelrad geförderte Luftmenge variabel über die Drehzahl zu verstellen.
Beispielsweise kann die Verstellung des Drehwinkels der Gebläserad-Schaufeln in Abhängigkeit der folgenden Zustände erfolgen:

Spule stromlos: Gebläserad-Schaufeln stehen in Längsrichtung und fördern keine Luftmenge;
Spule leicht bestromt: Gebläserad-Schaufeln sind leicht gedreht und fördern eine geringe Luftmenge;
Spule maximal bestromt: Gebläserad-Schaufeln sind um 90 Grad gedreht und fördern die maximale Luftmenge.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gebläserad-Schaufeln über abgewinkelte Drehhebel in Einstellverbindung mit der Antriebskomponente stehen können.
Vorzugsweise kann der jeweilige Drehwinkel einer Gebläserad-Schaufel durch axiales Verschieben eines in der Antriebsvorrichtung bzw. Antriebskomponente führbaren Stellgliedes einstellbar sein.
Die geförderte Luftmenge kann somit variabel über die Gebläserad-Schaufelstellung des Gebläse-Schaufelrades geregelt werden. Somit ist trotz baulicher Kompaktheit eine Regelbarkeit der Anstellwinkel der Gebläserad-Schaufeln und damit eine Luftmengenregulierung möglich.
Beispielsweise kann als axiales Stellglied ein in der Antriebsvorrichtung geführter Metallring vorgesehen sein, der die einen Enden der abgewinkelten Drehhebel aufnimmt und der entsprechend der Bestromung einer statorseitigen elektrischen Spule, insbesondere Ringspule, axial gezielt bewegbar ist. Beispielsweise kann der Metallring in seiner Lage geführt in einer Nut hin und her verschiebbar angeordnet sein.
Vorzugsweise wird die Sekundärluft beim Betrieb der Brennkraftmaschine bzw. beim Betrieb der elektrischen Antriebseinheit generiert und den Abgasen vor dem Eintritt in einen Abgaskatalysator beigemischt.
Beispielsweise ist das Gebläse-Schaufelrad in der elektrischen Antriebsmaschine derart integriert bzw. mit dieser so verbunden, dass das Gebläse-Schaufelrad von der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird. Somit wird die Sekundärluft beim Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine generiert und der Abgasanlage zugeführt.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 die schematische Darstellung eines Antriebssystems mit erfindungsgemäßem Gebläse-Schaufelrad;
2 die schematische Einzelteildarstellung von Bauteilen des Gebläse-Schaufelrades gem. 1;
3 die schematische Darstellung eines weiteren Antriebssystems.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor 1 und einer Getriebeeinheit 2, wobei dem Verbrennungsmotor 1 eine (hier nicht dargestellte) Abgasanlage mit mindestens einer (hier nicht dargestellten) Abgasreinigungseinrichtung nachgeschaltet ist. Sekundärluft wird mit Hilfe einer mit einer Gebläseeinrichtung 15 versehenen Sekundärluftvorrichtung in die Abgasanlage eingeblasen. Die Gebläseeinrichtung 15 umfasst ein Gebläse-Schaufelrad 10, 10', das mit einer rotierenden Antriebskomponente der Antriebsvorrichtung in Rotationsmitnahme steht.
Am Verbrennungsmotor 1 (Kurbelwellen-Ausgangsseite) ist ferner eine Elektromagnetspule 22 ringförmig angeordnet und fest mit dem Motorgehäuse verbunden. Ferner umfasst das Antriebssystem ein Schwungrad 23 mit Starterkranz sowie eine Kupplung 24, eine Mitnehmerscheibe 25 und eine Druckplatte 26.
Das Elektrospulenpaket (Elektromagnetspule 22) steht unmittelbar mit dem Gehäuse-Schaufelrad 10 in Wirkverbindung.
Das Gehäuse-Schaufelrad 10 weist drehbar gelagerte Gebläserad-Schaufeln 27 auf. Der jeweilige Drehwinkel einer Gebläserad-Schaufel 27 kann durch axiales Verschieben eines in der Antriebsvorrichtung führbaren Stellgliedes einstellbar sein. Als axiales Stellglied ist ein in der Antriebsvorrichtung geführter Metallring 28 (hier nicht erkennbar) vorgesehen, der die einen Enden der abgewinkelten Drehhebel aufnimmt und der entsprechend der Bestromung der statorseitigen Elektromagnetspule 22, insbesondere Ringspule, axial gezielt bewegbar ist.
3 zeigt den Metallring 28 sowie schematisch dargestellte Gebläserad-Schaufeln 27 mit abgewinkelten Drehhebeln 29 in einer Einzeldarstellung.
Durch die Erregung der Elektromagnetspule 22 lässt sich der in einem Schaufelkranz geführte Metallring 28 axial verstellen. Die axiale Verstellbewegung wird über die abgewinkelten Drehhebel 29 auf die Gebläserad-Schaufeln 27 übertragen. Wird also der Metallring 28 über das elektromagnetische Feld der Elektromagnetspule 22 angeregt, so wandert der Metallring 28 in Richtung der Elektromagnetspule und die in Nuten geführten Drehhebel 29 bzw. die Gebläserad-Schaufeln 27 verschieben sich. Je weiter der Metallring 28 durch das Elektromagnetfeld angezogen wird, desto weiter verdrehen sich die Gebläserad-Schaufeln 27.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 1 und einer Getriebeeinheit 2 (gleiche Bauteile tragen gleiche Bezugszeichen). Am Verbrennungsmotor 1 ist ein Abgaskrümmer 3 angebracht, durch den die Abgase des Verbrennungsmotors 1 zu einer Abgasanlage 4 weitergeleitet werden. Die Abgasanlage 4 umfasst einen ersten Katalysator 5, einen zweiten Katalysator 6 und einen Schalldämpfer 7. Hinter dem Schalldämpfer sind zwei Abgasendrohre 8 positioniert, durch die die Abgase ins Freie gelangen. Der Verbrennungsmotor 1 und die Getriebeeinheit 2 sind miteinander über eine nicht dargestellte Kurbelwelle verbunden, an der ein Schwungrad 9 vorgesehen ist.
Die Getriebeeinheit 2 kann je nach Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung als Schaltgetriebe, als Automatikgetriebe oder als Halbautomatikgetriebe ausgebildet sein. Vorzugsweise ist zwischen der Getriebeeinheit 2 und dem Verbrennungsmotor 1 eine elektrische Antriebsmaschine 13 vorgesehen, die als Generator betreibbar ist, so dass das Fahrzeug als Hybridfahrzeug betrieben werden kann. Weiterhin ist zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und der Getriebeeinheit 2 eine Kupplung 14 bzw. ein hydrodynamischer Drehmomentwandler 11 vorgesehen. Die elektrische Antriebsmaschine 13 dient dazu, das Fahrzeug elektrisch anzutreiben und/oder den Verbrennungsmotor 1 zu unterstützen.
Es ist eine Sekundärluftvorrichtung vorgesehen, die eine Gebläseeinrichtung 15, zwei Sekundärluftleitungen 16 und 17 und eine Sekundärlufteintrittsleitung 18 umfasst. Am Eintritt der Sekundärlufteintrittsleitung 18 ist ein Luftfilter 12 positioniert, mit dem Verunreinigungen der Umgebungsluft entfernt werden. Die Gebläseeinrichtung 15 weist ein Gebläse-Schaufelrad 10' auf, das am Schwungrad 9 des Verbrennungsmotors 1 angebracht ist. Die Gebläseeinrichtung 15 ist innerhalb der Getriebeeinheit 2 integriert, so dass diese mit dem hydrodynamischen Drehmomentwandler 11 verbunden ist. Somit wird das Gebläse-Schaufelrad 10` vom Drehmomentwandler 11 angetrieben. Nach einem weiteren Aspekt ist die Gebläseeinrichtung 15 innerhalb der elektrischen Antriebsmaschine 13 derart integriert, dass das Gebläse-Schaufelrad 10' von der elektrischen Antriebsmaschine 13 angetrieben wird. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors 1 rotiert das Gebläse-Schaufelrad 10' mit dem Schwungrad 9, mit dem Drehmomentwandler 11 oder mit der elektrischen Antriebsmaschine 13 zusammen, so dass Umgebungsluft in die Sekundärlufteintrittsleitung 18 angesaugt wird.
Durch die Rotation des Gebläse-Schaufelrads 10' wird Sekundärluft in die Sekundärluftleitungen 16 und 17 gefördert, so dass dem jeweiligen Abgasstrom Umgebungsluft beigemischt wird. Vorzugsweise mündet die erste Sekundärluftleitung 16 in den Abgaskrümmer 3 oder in einen Eingangsbereich des ersten Katalysators 5 derart, dass unverbrannte Kraftstoffanteile im Abgas innerhalb des ersten Katalysators 5 nachverbrannt werden.
Weiterhin wird Sekundärluft durch die zweite Sekundärluftleitung 17 stromaufwärts des zweiten Abgaskatalysators 6, vorzugsweise in einem Eingangsbereich des zweiten Katalysators 6, dem Abgas beigemischt. Hierdurch kann eine zweite Nachverbrennung innerhalb des zweiten Katalysators 6 bewirkt werden. Außerdem kann eine Einstellung einer bestimmten Abgastemperatur vor dem Eintritt des Abgases in den zweiten Abgaskatalysator 6 vorgenommen werden.
Durch die Integration der Gebläseeinrichtung 15 in die Antriebsvorrichtung wird eine drehzahlabhängige Sekundärluftgenerierung erzielt, so dass ein drehzahlabhängiger Luftüberschuss im Abgas an den Katalysatoreingängen erzeugt wird.
An jeder Sekundärluftleitung 16 und 17 ist jeweils eine Ventileinrichtung 19 und 20 vorgesehen, mit denen die Sekundärluftzufuhr zum jeweiligen Katalysator 5 bzw. 6 geregelt werden kann. Demnach wird eine Sekundärlufteinblasung je nach Motordrehzahl generiert und in die bestimmte Abschnitte der Abgasanlage 4 gezielt eingeblasen. Durch die Ansaugung von Umgebungsluft wird relativ kalte Luft in die Abgasanlage 4 eingeblasen, die eine hohe Anzahl an Sauerstoffmolekülen aufweist. Eine Kühlung der eingeblasenen Luft ist bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht notwendig.
Durch die Integration der Sekundärluftvorrichtung innerhalb der Antriebsvorrichtung wird eine kostengünstige Sekundärlufteinblasung realisiert, welche keinen zusätzlichen Bauraum erfordert. Darüber hinaus kann durch die zweite Sekundärluftleitung 17 eine Regelung der Abgastemperatur vor dem Eintritt des Abgases in den zweiten Katalysator 6 herbeigeführt werden. Insbesondere wenn der zweite Abgaskatalysator 6 als DeNOx-Katalysator ausgebildet ist, ist eine Regelung der Abgastemperatur notwendig, um bei hohen Abgastemperaturen, beispielsweise in einem Volllastbereich des Verbrennungsmotors 1, eine Beeinträchtigung des als DeNOx-Katalysator ausgebildeten zweiten Abgaskatalysators 6 zu vermeiden.
Zur Ansteuerung der zugeführten Sekundärluftmenge in die jeweiligen Sekundärluftleitungen sind die in den Sekundärluftleitungen positionierten Ventileinrichtungen 19 und 20 mit einem entsprechenden Steuergerät verbunden, so dass je nach Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 1 die in die jeweilige Sekundärluftleitung geförderte Luftmenge geregelt wird. Demnach kann die Sekundärluft anteilig bzw. unterschiedlich auf die Sekundärluftleitungen 16 und 17 aufgeteilt werden. Vorzugsweise sind die Ventileinrichtungen 19 und 20 als elektrische Ventile ausgebildet und in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 1 steuerbar.
In 3 nicht dargestellt sind die Elektrospule bzw. der zum Gebläse-Schaufelrad gehörende Metallring bzw. weitere Bauteile zur Realisierung verstellbarer Gebläserad-Schaufeln. Einzelheiten zu verstellbaren Gebläserad-Schaufeln sind in 1 beschrieben.

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Getriebeeinheit (2), wobei dem Verbrennungsmotor (1) eine Abgasanlage (4) mit mindestens einer Abgasreinigungseinrichtung (5, 6) nachgeschaltet ist, und Sekundärluft mit Hilfe einer mit einer Gebläseeinrichtung (15) versehenen Sekundärluftvorrichtung in die Abgasanlage (4) einblasbar ist, wobei die Gebläseeinrichtung (15) ein Gebläse-Schaufelrad (10, 10') umfasst, das mit einer rotierenden Antriebskomponente der Antriebsvorrichtung in Rotationsmitnahme steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläserad-Schaufeln (27) mit einstellbarem Anstellwinkel relativ zu der Antriebskomponente drehbar gelagert sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse-Schaufelrad (10, 10') an einem Schwungrad (9) des Verbrennungsmotors (1) oder an der Getriebeeinheit (2) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung eine als Generator betreibbare elektrische Antriebsmaschine (13) umfasst, so dass das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist, wobei das Gebläse-Schaufelrad (10, 10') an der elektrischen Antriebsmaschine (13) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse-Schaufelrad (10, 10') mit einem Drehmomentwandler (11) der Getriebeeinheit (9) derart verbunden ist, dass das Gebläse-Schaufelrad (10, 10') vom Drehmomentwandler (11) antreibbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläserad-Schaufeln (27) über abgewinkelte Drehhebel (29) in Einstellverbindung mit der Antriebskomponente stehen.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Drehwinkel einer Gebläse-Schaufel (27) durch axiales Verschieben eines in der Antriebsvorrichtung führbaren Stellgliedes einstellbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als axiales Stellglied ein in der Antriebsvorrichtung geführter Metallring (28) vorgesehen ist, der die einen Enden der abgewinkelten Drehhebel (29) aufnimmt und der entsprechend der Bestromung einer Statorseitigen elektrischen Spule (22), insbesondere Ringspule, axial gezielt bewegbar ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft in die Abgasanlage (4) stromaufwärts der Abgasreinigungseinrichtung (5, 6) zuführbar ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage (4) aus mehreren Abgasreinigungseinrichtungen (5, 6) gebildet ist, und die Sekundärluft stromaufwärts jeder Abgasreinigungseinrichtung (5. 6) zuführbar ist