DE102011012861A1 - Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs – mit einem Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle aufweist; – mit einer Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Laufrad aufweist, das drehfest auf einer Turbinenwelle gelagert ist; – die Abgasnutzturbine steht über ein Übersetzungsgetriebe in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, um Antriebsleistung über das Übersetzungsgetriebe auf die Abtriebswelle zu übertragen; – mit einer hydrodynamischen Kupplung, die ein Pumpenrad und ein Turbinenrad aufweist, welche miteinander einen torusförmigen, über einen Zulauf mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden, um Drehmoment hydrodynamisch vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen; wobei – zumindest ein Zahnrad des Übersetzungsgetriebes mit Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung geschmiert ist, und – das Übersetzungsgetriebe in der Triebverbindung zwischen der hydrodynamischen Kupplung und der Abgasnutzturbine angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass – das Übersetzungsgetriebe als Planetengetriebe ausgeführt ist, umfassend ein Sonnenrad, wenigstens ein auf einem Planetenträger gelagertes Planetenrad und ein Hohlrad, welche im Eingriff miteinander stehen; und – im Planetenträger ein Schmiermittelkanal zum Schmieren wenigstens des Sonnenrades, Hohlrades und/oder zumindest eines Planetenrades mit Arbeitsmedium angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbo-Compound-System, das heißt ein System in einem Antriebsstrang, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb des Antriebsstrangs, in dessen Abgasstrom eine Abgasnutzturbine angeordnet ist. Die Abgasnutzturbine kann beispielsweise im Abgasstrom vor oder hinter der Abgasturbine eines Abgasturboladers angeordnet sein.
  • Mittels der Abgasnutzturbine wird dem Abgas des Verbrennungsmotors Energie entzogen und in mechanische Energie beziehungsweise in Antriebsleistung umgesetzt. Diese dient dann dem zusätzlichen Antrieb der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, in der Regel dessen Kurbelwelle.
  • Derartige Turbo-Compound-Systeme sind bekannt. So beschreibt die EP 0 751 027 B1 die Anordnung einer hydrodynamischen Kupplung in einem solchen Turbo-Compound-System, um die aus dem Abgas des Verbrennungsmotors gewonnene Energie von einer Abgasnutzturbine auf die Kurbelwelle zu übertragen. Die hydrodynamische Kupplung umfasst dazu ein Pumpenrad und ein Turbinenrad, welche einen mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden, um Drehmoment vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen. Mit der Abgasnutzturbine ist dabei ein Getriebe gekoppelt, welches als Stirnradgetriebe, umfassend zwei Zahnräder, ausgeführt ist. An das Pumpenrad ist ein Zahnrad angeschlossen, welches mit einem Zahnrad der Turbinenwelle der Abgasturbine kämmt. Mit dem Turbinenlaufrad ist eine Abtriebswelle drehfest verbunden, welche einen zentralen Betriebsmittelzufuhrkanal aufweist, mittels dem Arbeitsmedium dem Arbeitsraum zugeführt werden kann. Gleichzeitig wird dosiert ein Teilstrom zur Schmierung einer Lageranordnung, auf der sich das Pumpenrad abstützt, abgezweigt.
  • Allgemein nachteilig an derartigen Stirnradgetrieben sind die im Betrieb auftretenden relativ hohen Radialkräfte, welche hohe Ansprüche an die Lagerung der miteinander kämmenden Zahnräder stellen. Dies ist beim Einsatz in Turbo-Compound-Systemen mit schnell drehenden Abgasturbinen besonders nachteilig. Weiterhin sind mit kleinbauenden Stirnradgetrieben nur relativ niedrige Übersetzungen realisierbar, sodass die miteinander kämmenden Zahnräder relativ großbauend ausgeführt werden müssen. Schließlich müssen bei Stirnradgetrieben die miteinander über die Stirnräder in Triebverbindung stehenden Wellen stets parallel zueinander angeordnet sein. Dies wiederum führt zu einem größeren Bauraum eines solchen Getriebes.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Turbo-Compound-System anzugeben, welches gegenüber den Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere soll der Raumbedarf eines solchen Turbo-Compound-Systems verringert werden. Gleichzeitig soll eine optimale und effektive Schmierung der Lageranordnung des Getriebes des Turbo-Compound-Systems sichergestellt werden.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Turbo-Compound-System mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
  • Ein erfindungsgemäßes Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Verbrennungsmotor, der eine Abtriebswelle aufweist sowie eine Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein Laufrad aufweist, das drehfest auf einer Turbinenwelle gelagert ist. Die Abgasnutzturbine steht dabei über ein Übersetzungsgetriebe in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors, um Antriebsleistung über das Übersetzungsgetriebe auf die Abtriebswelle zu übertragen. Weiterhin ist eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen, die ein Pumpenrad und ein Turbinenrad aufweist, welche miteinander einen torusförmigen, über einen Zulauf mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum ausbilden, um Drehmoment hydrodynamisch vom Pumpenrad auf das Turbinenrad zu übertragen. Dabei ist zumindest ein Zahnrad des Übersetzungsgetriebes mit Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung geschmiert. Das Übersetzungsgetriebe ist ferner in einer Triebverbindung zwischen der hydrodynamischen Kupplung und der Abgasnutzturbine angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist das Übersetzungsgetriebe als Planetengetriebe ausgeführt, umfassend ein Sonnenrad, wenigstens ein Planetenrad und ein Hohlrad, welche im Eingriff miteinander stehen. Das eine Planetenrad oder eine Vielzahl von Planetenrädern ist auf einem Planetenträger gelagert. Im Planetenträger ist ein Schmiermittelkanal zum Schmieren wenigstens des Sonnenrades, Hohlrades und/oder zumindest des einen Planetenrades oder der mehreren Planetenräder mit Arbeitsmedium angeordnet.
  • Mit Vorteil ist das Pumpenrad oder Turbinenrad drehfest auf einer Eingangswelle gelagert. Dabei ist der hydrodynamischen Kupplung und dem Übersetzungsgetriebe eine gemeinsame Arbeitsmediumzufuhr zugeordnet, welche in der Eingangswelle angeordnet ist und strömungsleitend mit dem Zulauf der hydrodynamischen Kupplung verbunden oder verbindbar ist. Über die gemeinsame Arbeitsmediumzufuhr kann somit Arbeitsmedium dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung zugeführt und gleichzeitig die Lager des Planetengetriebes und vorzugsweise die Planetenradlager optimal geschmiert werden. Hierdurch wird die Lebensdauer eines solchen Turbo-Compound-Systems erheblich gesteigert.
  • Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 einen prinzipiellen Aufbau der Triebverbindung zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors;
  • 2 eine Ausführungsform gemäß der 1 mit zusätzlichem Abgasturbolader;
  • 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer hydrodynamischen Kupplung des Turbo-Compound-Systems.
  • In der 1 ist ein Antriebsstrang zwischen einer Abgasnutzturbine 3 und einer Abtriebswelle 2, beispielsweise eine Kurbelwelle, eines Verbrennungsmotors 1 gezeigt. In Leistungsübertragungsrichtung von der Abgasnutzturbine 3 zum Verbrennungsmotor 1 sind ein Übersetzungsgetriebe 8 sowie eine hydrodynamische Kupplung 4 hintereinander angeordnet. Die hydrodynamische Kupplung 4 umfasst ein Pumpenrad 5 sowie ein Turbinenrad 6, die einen Arbeitsraum 7, in dem sich eine hydrodynamische Kreislaufströmung ausbilden kann, begrenzen. Dabei ist vorliegend das Pumpenrad 5 drehfest mit einer Eingangswelle 11 und das Turbinenrad 6 ebenfalls drehfest mit einer Ausgangswelle 10 der hydrodynamischen Kupplung 4 verbunden. Letztere steht hier über ein Zahnradpaar in Triebverbindung mit der Abtriebswelle 2 des Verbrennungsmotors 1. Von Vorteil ist es, wenn die hydrodynamische Kupplung 4 als regelbare Kupplung ausgeführt ist.
  • Erfindungsgemäß ist das Übersetzungsgetriebe 8 als Planetengetriebe, umfassend ein Sonnenrad 12, zwei Planetenräder 13 sowie ein Hohlrad 14 ausgeführt. Natürlich ist es denkbar, dass anstelle der beiden dargestellten Planetenräder 13 auch weniger oder mehr Planetenräder vorgesehen werden.
  • Zur Lagerung der Planetenräder 13 ist ein Planetenträger 15 vorgesehen, welcher drehfest mit der Eingangswelle 11 verbunden ist und die Sekundärseite des Übersetzungsgetriebes 8 ausbildet. Der Planetenträger 15 könnte auch von der Eingangswelle 11 ausgebildet werden.
  • Auf der Primärseite des Übersetzungsgetriebes 8 ist das Sonnenrad 12 mit einer Turbinenwelle 9, auf der ein nicht gezeigtes Turbinenlaufrad drehfest angeordnet ist, drehfest verbunden.
  • Im vorliegenden Fall ist das Hohlrad 14 festgesetzt, was jedoch nicht zwingend ist.
  • Die Arbeitsweise des gezeigten Antriebsstrangs ist die folgende: Das aus dem Verbrennungsmotor 1 austretende Abgas beaufschlagt das Turbinenlaufrad der Abgasnutzturbine 3, wodurch Antriebsleistung über die Turbinenwelle 9 auf das Sonnenrad 12 übertragen wird. Die mit dem Sonnenrad 12 und dem Hohlrad 14 kämmenden Planetenräder 13 übertragen die Antriebsleistung über den Planetenträger 15 und die Eingangswelle 11 auf das Pumpenrad 5. Bei einer Befüllung des Arbeitsraumes 7, vorzugsweise bei einer Vollbefüllung, wird Drehmoment beziehungsweise Drehleistung der Eingangswelle 11 über das Turbinenrad 6, die Ausgangswelle 10 und das Zahnradpaar auf die Abtriebswelle 2 des Verbrennungsmotors 11 übertragen.
  • In der 2 ist der Gegenstand aus 1 gemäß einer Weiterbildung dargestellt. Dabei sind im Wesentlichen die gleichen Bauelemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Zusätzlich zu der Abgasnutzturbine 3 ist eine Abgasturbine 17 eines Abgasturboladers 16 vorgesehen, welche in Strömungsrichtung des Abgases gesehen der Abgasnutzturbine 3 vorgeschaltet ist. Somit beaufschlagt das aus dem Verbrennungsmotor 1 austretende Abgas zuerst die Abgasturbine 17. Das aus der Abgasturbine 17 austretende oder an dieser vorbeiströmende Abgas wird der Abgasnutzturbine 3 zugeführt. Mit der Abgasturbine 17 steht ein Frischluftverdichter 18 des Abgasturboladers 16 in Triebverbindung, um einen aus der Umgebung angesaugten Luftstrom zu verdichten und dem Verbrennungsmotor 1 zu dessen Aufladung zuzuführen.
  • Wie man in den 1 und 2 erkennt, sind, die Ausgangswelle 10, die Eingangswelle 11 sowie die Turbinenwelle 9 zueinander konzentrisch angeordnet. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein.
  • In der 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der hydrodynamischen Kupplung 4 des erfindungsgemäßen Turbo-Compound-Systems in einem Axialschnitt durch die Drehachse der hydrodynamischen Kupplung 4 gezeigt. Auch hier sind die gleichen Bauelemente mit denselben Bezugszeichen wie zuvor versehen.
  • Wie man in der 3 erkennt, ist sowohl in der Ausgangswelle 10 als auch in der Eingangswelle 11 jeweils eine Axialbohrung eingebracht. Letztere oder beide dienen als gemeinsame, der hydrodynamischen Kupplung 4 sowie dem Übersetzungsgetriebe 8 (siehe 1 und 2) zugeordnete Arbeitsmediumzufuhr 19. Natürlich könnte die Axialbohrung ausschließlich in der Ausgangswelle 10 oder der Eingangswelle 11 eingebracht sein, oder nur eine der beiden Bohrungen zur Arbeitsmediumzufuhr genutzt werden. Im vorliegenden Fall sind die Ausgangswelle 10 und die Eingangswelle 11 konzentrisch zueinander angeordnet, wobei deren einander zugewandte Flächen einen Spalt bilden. So kann ein Teilstrom aus der Arbeitsmediumzufuhr 19 im Bereich des Trennspalts zwischen dem Pumpenrad 5 und Turbinenrad 6 (Symmetrieebene) und einen Zulauf 20 in den Arbeitsraum 7 zu dessen Befüllung gelangen.
  • Eingangsseitig der hydrodynamischen Kupplung 4 ist der Planetenträger 15 drehfest mit der Eingangswelle 11 ausgeführt. Letzterer könnte auch einteilig mit der Eingangswelle 11 ausgebildet sein.
  • Der Planetenträger 15 weist in seinem Inneren einen Schmiermittelkanal 21 auf, welche strömungsleitend mit der Arbeitsmediumzufuhr 19 verbunden ist. Der Planetenträger 15 weist dabei jeweils einen Ausleger auf, umfassend einen ersten, in Radialrichtung verlaufenden Abschnitt sowie einen zweiten in Axialrichtung verlaufenden Abschnitt. Auf Letzterem ist jeweils ein Planetenrad 13 gelagert. Die Anzahl der Ausleger ist abhängig von der Anzahl der Planetenräder 13. Der Schmiermittelkanal 21 mündet vorliegend jeweils im in Axialrichtung verlaufenden Abschnitt des Auslegers, und zwar dort im Bereich der Lageranordnung des Planetenrades 13, um diese zu schmieren.
  • Der Schmiermittelkanal 21 kann auch zur Schmierung einer nicht gezeigten Lageranordnung des Hohlrades 14 und/oder des Sonnenrades 12 verwendet werden. Dazu kann der Schmiermittelkanal im Bereich der Lageranordnung des entsprechenden Zahnrades münden.
  • Der Schmiermittelkanal 21 kann über eine Mehrzahl von Radial- und/oder Axialbohrungen im Planetenträger 15 realisiert werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ergeben sich folgende Vorteile: Aufgrund des Einsatzes eines Planetengetriebes werden im Vergleich zum Stirnradgetriebe relativ geringe Radialkräfte im Betrieb der Abgasnutzturbine erreicht, wodurch die Lageranordnung des Getriebes weniger stark belastet wird. Gleichzeitig können durch das Planetengetriebe relativ große Übersetzungen erreicht werden, bei gleichzeitiger kompakter Bauweise des Getriebes und damit des gesamten Turbo-Compound-Systems. Schließlich können durch die erfindungsgemäße Bauweise die Eingangs-, Ausgangs- sowie die Turbinenwelle konzentrisch zueinander ausgeführt werden, was eine zusätzliche Kompaktheit des Turbo-Compound-Systems ermöglicht.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Abtriebswelle
    3
    Abgasnutzturbine
    4
    hydrodynamische Kupplung
    5
    Pumpenrad
    6
    Turbinenrad
    7
    Arbeitsraum
    8
    Übersetzungsgetriebe
    9
    Turbinenwelle
    10
    Ausgangswelle
    11
    Eingangwelle
    12
    Sonnenrad
    13
    Planetenrad
    14
    Hohlrad
    15
    Planetenträger
    16
    Abgasturbolader
    17
    Abgasturbine
    18
    Frischluftverdichter
    19
    Arbeitsmediumzufuhr
    20
    Zulauf
    21
    Schmiermittelkanal
  • 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
    • EP 0751027 B1 [0003]

Claims (8)

  1. Turbo-Compound-System, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, 1.1 mit einem Verbrennungsmotor (1), der eine Abtriebswelle (2) aufweist; 1.2 mit einer Abgasnutzturbine (3), die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors (1) angeordnet ist und ein Laufrad aufweist, das drehfest auf einer Turbinenwelle (9) gelagert ist; 1.3 die Abgasnutzturbine (3) steht über ein Übersetzungsgetriebe (8) in einer Triebverbindung mit der Abtriebswelle (2) des Verbrennungsmotors (1), um Antriebsleistung über das Übersetzungsgetriebe (8) auf die Abtriebswelle (2) zu übertragen; 1.4 mit einer hydrodynamischen Kupplung (4), die ein Pumpenrad (5) und ein Turbinenrad (6) aufweist, welche miteinander einen torusförmigen, über einen Zulauf (20) mit Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsraum (7) ausbilden, um Drehmoment hydrodynamisch vom Pumpenrad (5) auf das Turbinenrad (6) zu übertragen; wobei 1.5 zumindest ein Zahnrad des Übersetzungsgetriebes (8) mit Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung (4) geschmiert ist, und 1.6 das Übersetzungsgetriebe (8) in der Triebverbindung zwischen der hydrodynamischen Kupplung (4) und der Abgasnutzturbine (3) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass 1.7 das Übersetzungsgetriebe (8) als Planetengetriebe ausgeführt ist, umfassend ein Sonnenrad (12), wenigstens ein auf einem Planetenträger (15) gelagertes Planetenrad (13) und ein Hohlrad (14), welche im Eingriff miteinander stehen; und 1.8 im Planetenträger (15) ein Schmiermittelkanal (21) zum Schmieren wenigstens des Sonnenrades (12), Hohlrades (14) und/oder zumindest eines Planetenrades (13) mit Arbeitsmedium angeordnet ist.
  2. Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (5) oder Turbinenrad (6) drehfest auf einer Eingangswelle (11) gelagert ist; 2.1 mit einer der hydrodynamischen Kupplung (4) und dem Übersetzungsgetriebe (8) zugeordneten gemeinsamen Arbeitsmediumzufuhr (19), welche in der Eingangswelle (11) angeordnet ist und strömungsleitend mit dem Zulauf (20) verbunden oder verbindbar ist; wobei 2.2 der Schmiermittelkanal (21) strömungsleitend mit der gemeinsamen Arbeitsmediumzufuhr (19) verbunden ist.
  3. Turbo-Compound-System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkanal (21) im Wesentlichen in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung (4) verläuft.
  4. Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenwelle (9) der Abgasnutzturbine (3) drehfest mit dem Sonnenrad (12) verbunden ist oder in Triebverbindung mit diesem steht oder in eine solche bringbar ist.
  5. Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (5) der hydrodynamischen Kupplung (4) mit den Planetenträger (15) verbunden ist oder in Triebverbindung mit diesem steht oder in eine solche bringbar ist.
  6. Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmiermittelkanal (21) im Bereich einer Lageranordnung, über welche sich das Hohlrad (14), Sonnenrad (12) und/oder zumindest ein Planetenrad (13) im Planetengetriebe abstützt, mündet.
  7. Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (2), die Kupplungswelle (11) und die Turbinenwelle (9) zueinander konzentrisch angeordnet sind.
  8. Turbo-Compound-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmediumzufuhr (19) in Form eines in Axialrichtung durch die Eingangswelle (11) verlaufenden Kanals, insbesondere über die gesamte axiale Länge, vorteilhaft in beiden Stirnseiten der Eingangswelle (11) mündend, verlaufenden Kanals ausgeführt ist.
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