DE102010036661A1

DE102010036661A1 - Sekundärluftvorrichtung

Info

Publication number: DE102010036661A1
Application number: DE102010036661A
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: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: DE102010036661B4

Abstract

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Getriebeeinheit (2), wobei dem Verbrennungsmotor (1) eine Abgasanlage mit mindestens einer Abgasreinigungseinrichtung nachgeschaltet ist. Sekundärluft ist mit Hilfe einer mit einer Verdichtereinrichtung (3) versehenen Sekundärluftvorrichtung (4) in die Abgasanlage einblasbar, wobei die Verdichtereinrichtung (3) einen Verdichter umfasst, der innerhalb des Motorgehäuses (6) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet und mit einer rotierenden Antriebskomponente verbunden ist.

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 eine Lichtmaschine bekannt, in die eine Sekundärluftpumpe integriert ist.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Gebläseeinrichtungen bekannt, die ein Gebläse-Schaufelrad umfassen, das mit einer rotierenden Antriebskomponente einer Antriebsvorrichtung in Rotationsmitnahme steht.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Luftverdichtern bzw. Sekundärluftvorrichtungen ist jedoch, dass diese zumeist einen erheblichen Platzbedarf außerhalb des Motorgehäuses der Verbrennungsmaschine beanspruchen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Sekundärluftvorrichtung vorzuschlagen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile umgeht. Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Sekundärluft mit Hilfe einer mit einer Verdichtereinrichtung versehenen Sekundärluftvorrichtung in die Abgasanlage einblasbar ist, wobei die Verdichtereinrichtung einen Verdichter umfasst, der innerhalb des Motorgehäuses des Verbrennungsmotors angeordnet und mit einer rotierenden Antriebskomponente verbunden ist. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit einer platzsparenden Integration einer Verdichter- bzw. Sekundärluftvorrichtung innerhalb eines Motorgehäuses, welche keine Ladeluftkühlung und keine separate Schmierung benötigt.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann als Antriebskomponente die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors vorgesehen sein wozu diese mit einem, insbesondere einstückigen, Flansch versehen sein kann, an dem ein Verdichterrad befestigbar, insbesondere radial verschraubbar ist. Das Verdichterrad besteht vorzugsweise aus Aluminium und kann beispielsweise über eine Vielzahl von Schrauben (beispielsweise acht 6 × 15 mm Schrauben) befestigt werden.
Beispielsweise kann das Motorgehäuse des Verbrennungsmotors aus zwei korrespondierenden Gehäusehälften zusammensetzbar sein, von denen jede eine korrespondierende Gehäusehälfte eines das Verdichterrad umschließenden Verdichter-Gehäuses, insbesondere einstückig, aufweist. Somit kann die Fertigung der Motor-Gehäusehälfte sowie der Verdichter-Gehäusehälfte grundsätzlich in einem Arbeitsgang erfolgen wodurch weitere Kosten eingespart und die Montage vereinfacht werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Gehäusehälften derart ausgebildet sein, dass die Kurbelwelle mit Flansch und daran befestigtem Verdichterrad als Montageeinheit in die eine, insbesondere obere, Gehäusehälfte des Motorgehäuses mit der einen Gehäusehälfte des Verdichter-Gehäuses vorpositioniert einlegbar und anschließend durch Gegenlage der korrespondierenden zweiten, insbesondere unteren, Gehäusehälfte des Motorgehäuses mit der zweiten Gehäusehälfte des Verdichter Gehäuses betriebsfertig einbaubar ist. Diese Ausgestaltung weist erhebliche Montagvorteile bezüglich des Handlings bzw. bezüglich der zu verbauenden Einzelteile auf.
Das Motorgehäuse selbst bildet somit über seine Gehäuseform den oberen Teil des Verdichter-Gehäuses. Das bedeutet, dass beim Einlegen der Kurbelwelle mit angeschraubtem Verdichterrad, das Verdichterrad in den oberen Teil des Verdichter-Gehäuses eintaucht. Mit der Montage der Ölwanne bzw. der Montage des unteren Motorgehäuses wird die untere Hälfte des Verdichter-Gehäuses über das Verdichterrad geschoben und somit beispielsweise überlappend zum Formschluss mit der anderen Gehäusehälfte gebracht.
Denkbar ist ferner das Vorsehen eines als separates Bauteil ausgebildeten Verdichter-Gehäuses.
Vorzugsweise kann das Verdichterrad als Verdichter-Schaufelrad mit in ihrem Anstellwinkel verstellbaren Schaufeln ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Regulierung der geförderten Luftmenge über eine Verstellung der Verdichter-Schaufeln erfolgen. Ferner ist denkbar, dass eine Bypass-Steuerung in Form eines elektromagnetischen Luftventils vorgesehen sein kann, welche die Luftmenge die nicht zum Katalysator gelangen soll, der Ansauganlage zuführt. Mit Hilfe der integrierten Verdichtereinrichtung bzw. Sekundärluftvorrichtung kann schon bei geringen Motordrehzahlen eine hohe Luftmenge zur Verfügung gestellt werden. Auf Grund der Größe des Verdichterrades (ca. 10 mal größer wie bei Turboladern), kann die geförderte Luftmenge auch direkt zur Aufladung eingesetzt werden (Ein Turbolader dreht bei Volllast mit ca. 150.000 U/min., ein Kurbellwellen-Verdichterrad dreht bei Volllast mit ca. 8.000 U/min.; da der Durchmesser des Kurbelwellen-Verdichterrades aber ca. 10 mal größer ist und ca. 2 mal so breit, kann von gleichen Luftmengen ausgegangen werden, wobei die Anzahl der Luftmoleküle auf Grund der niedrigen Temperatur beim Kurbelwellen gebundenen Systemen höher ist).
Beispielsweise kann die Verstellung des Drehwinkels der Verdichter-Schaufeln in Abhängigkeit der folgenden Zustände erfolgen:
Spule stromlos: Verdichter-Schaufeln stehen in Längsrichtung und fördern keine Luftmenge;
Spule leicht bestromt: Verdichter-Schaufeln sind leicht gedreht und fördern eine geringe Luftmenge;
Spule maximal bestromt: Verdichter-Schaufeln sind um 90 Grad gedreht und fördern die maximale Luftmenge.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verdichter-Schaufeln über abgewinkelte Drehhebel in Einstellverbindung mit der Antriebskomponente stehen können.
Vorzugsweise kann der jeweilige Drehwinkel einer Verdichter-Schaufel durch axiales Verschieben eines in der Antriebsvorrichtung bzw. Antriebskomponente führbaren Stellgliedes einstellbar sein.
Die geförderte Luftmenge kann somit variabel über die Verdichter-Schaufelstellung des Verdichterrades geregelt werden. Somit ist trotz baulicher Kompaktheit eine Regelbarkeit der Anstellwinkel der Verdichter-Schaufeln und damit eine Luftmengenregulierung möglich.
Beispielsweise kann als axiales Stellglied ein in der Antriebsvorrichtung axial geführter Metallring vorgesehen sein, der die einen Enden der abgewinkelten Drehhebel derart aufnimmt, dass die an den anderen Enden der abgewinkelten Drehhebel befestigten Verdichter-Schaufeln entsprechend einer Axialverschiebung des Metallrings drehbar verstellbar sind.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Axialverschiebung des Metallrings das elektromagnetische Feld einer elektrischen Spule (Elektromagnetspule), insbesondere einer Ringspule, vorgesehen sein kann. Vorzugsweise kann die elektrische Spule ebenfalls innerhalb des Motorgehäuses, insbesondere an dessen antriebsseitiger Stirnseite, 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 kann die Antriebsvorrichtung eine als Generator betreibbare elektrische Antriebsmaschine umfassen, so dass das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet sein kann.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abgasanlage aus mehreren Abgasreinigungseinrichtungen gebildet werden kann, wobei die Sekundärluft stromaufwärts jeder Abgasreinigungseinrichtung zuführbar ist.
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 erfindungsgemäßer integrierter Verdichtereinrichtung und Sekundärluftvorrichtung;
2 die schematische Einzelteildarstellung von Bauteilen des Verdichterrads gem. 1.
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. Vorzugsweise umfasst die Abgasanlage eine zweite Abgasreinigungseinrichtung in Form eines DeNOx-Katalysators. Sekundärluft wird mit Hilfe einer mit einer Verdichtereinrichtung 3 versehenen Sekundärluftvorrichtung 4 in die Abgasanlage eingeblasen. Die Verdichtereinrichtung 3 umfasst ein Verdichterrad 5, welches innerhalb des Motorgehäuses 6 des Verbrennungsmotors 1 angeordnet ist und mit einer rotierenden Antriebskomponente, genauer gesagt der Kurbelwelle 7, verbunden ist.
Am Verbrennungsmotor 1 (Kurbelwellen-Ausgangsseite) ist ferner eine Elektromagnetspule 8 ringförmig angeordnet und fest mit dem Motorgehäuse 6 verbunden. Ferner umfasst das Antriebssystem ein Schwungrad 9 mit Starterkranz sowie eine Kupplung 10, eine Mitnehmerscheibe 11 und eine Druckplatte 12.
Das Motorgehäuse 6 des Verbrennungsmotors 1 ist aus zwei korrespondierenden Gehäusehälften zusammengesetzt, von denen jede eine korrespondierende Gehäusehälfte eines das Verdichterrad 5 umschließenden Verdichter-Gehäuses 17 aufweist.
Die Elektromagnetspule 8 steht unmittelbar mit dem Verdichterrad 5 in Wirkverbindung. Das Verdichterrad 5 weist drehbar gelagerte Verdichter-Schaufeln 13 auf. Der jeweilige Drehwinkel einer Verdichter-Schaufel 13 kann durch axiales Verschieben eines in der Antriebsvorrichtung führbaren Stellgliedes einstellbar sein. Als axiales Stellglied ist ein in der Antriebsvorrichtung geführter Metallring (hier nicht erkennbar) vorgesehen, der die einen Enden der abgewinkelten Drehhebel aufnimmt und der entsprechend der Bestromung der statorseitigen Elektromagnetspule 8, insbesondere Ringspule, axial gezielt bewegbar ist.
Eingangsseitig kann Luft über den Luftfilter bzw. die Sekundärluftvorrichtung 4 zum Verdichter-Eingang 14 geleitet werden und Ausgangsseitig aus der Sekundärluftvorrichtung 4 in oder vor den Katalysator eingeleitet werden.
Durch die Integration der Sekundärluftvorrichtung 4 innerhalb des Motorgehäuses 6 wird eine kostengünstige Sekundärluftvorrichtung realisiert, welche keinen zusätzlichen Bauraum erfordert. Insbesondere wenn der zweite Abgaskatalysator 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 zu vermeiden.
2 zeigt den Metallring 15 sowie schematisch dargestellte Verdichter-Schaufeln 13 mit abgewinkelten Drehhebeln 16 in einer Einzeldarstellung.
Durch die Erregung der Elektromagnetspule lässt sich der in einem Schaufelkranz geführte Metallring 15 axial verstellen. Die axiale Verstellbewegung wird über die abgewinkelten Drehhebel 16 auf die Verdichter-Schaufeln 13 übertragen. Wird also der Metallring 15 über das elektromagnetische Feld der Elektromagnetspule angeregt, so wandert der Metallring 15 in Richtung der Elektromagnetspule und die in Nuten geführten Drehhebel 16 bzw. die Verdichter-Schaufeln 13 verschieben sich. Je weiter der Metallring 15 durch das Elektromagnetfeld angezogen wird, desto weiter verdrehen sich die Verdichter-Schaufeln 13.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19730905 C1 [0003]
DE 9011256 U1 [0003]
US 3797242 [0003]

Claims

Antriebsvorrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (1) und einer Getriebeeinheit (2), wobei dem Verbrennungsmotor (1) eine Abgasanlage mit mindestens einer Abgasreinigungseinrichtung nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Sekundärluft mit Hilfe einer mit einer Verdichtereinrichtung (3) versehenen Sekundärluftvorrichtung (4) in die Abgasanlage einblasbar ist, wobei die Verdichtereinrichtung (3) einen Verdichter umfasst, der innerhalb des Motorgehäuses (6) des Verbrennungsmotors (1) angeordnet und mit einer rotierenden Antriebskomponente verbunden ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebskomponente die Kurbelwelle (7) des Verbrennungsmotors (1) vorgesehen ist und dazu diese mit einem, insbesondere einstückigen, Flansch versehen ist, an dem ein Verdichterrad (5) befestigbar, insbesondere radial verschraubbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorgehäuse (6) des Verbrennungsmotors (1) aus zwei korrespondierenden Gehäusehälften zusammensetzbar ist, von denen jede eine korrespondierende Gehäusehälfte eines das Verdichterrad (5) umschließenden Verdichter-Gehäuses (17), insbesondere einstöckig, aufweist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusehälften derart ausgebildet sind, dass die Kurbelwelle (7) mit Flansch und daran befestigtem Verdichterrad (5) als Montageeinheit in die eine, insbesondere obere, Gehäusehälfte des Motorgehäuses (6) mit der einen Gehäusehälfte des Verdichter-Gehäuses (17) vorpositioniert einlegbar und anschließend durch Gegenlage der korrespondierenden zweiten, insbesondere unteren, Gehäusehälfte des Motorgehäuses (6) mit der zweiten Gehäusehälfte des Verdichter-Gehäuses (17) betriebsfertig einbaubar ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (5) als Verdichter-Schaufelrad mit in ihrem Anstellwinkel verstellbaren Schaufeln ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Anstellwinkel einer Verdichter-Schaufel (13) durch axiales Verschieben eines in der Antriebskomponente axial fährbaren Stellmittels einstellbar ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als axiales Stellglied ein in der Antriebsvorrichtung axial geführter Metallring (15) vorgesehen ist, der die einen Enden von abgewinkelten Drehhebeln (16) derart aufnimmt, dass die an den anderen Enden der abgewinkelten Drehhebeln (16) befestigten Verdichter-Schaufeln (13) entsprechend einer Axialverschiebung des Metallrings (15) drehverstellbar sind.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Axialverschiebung des Metallringes (15) das elektromagnetische Feld einer elektrischen Spule (8), insbesondere einer Ringspule, vorgesehen ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spule (8) innerhalb des Motorgehäuses (6), insbesondere an dessen antriebsseitiger Stirnseite, angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung eine als Generator betreibbare elektrische Antriebsmaschine umfasst, so dass das Fahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluft in die Abgasanlage stromaufwärts der Abgaseinrichtung zuführbar ist.
Antriebsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasanlage aus mehreren Abgasreinigungseinrichtungen gebildet ist, und die Sekundärluft stromaufwärts jeder Abgasreinigungseinrichtung zuführbar ist.