DE102012204368B4

DE102012204368B4 - Kraftmaschinenanordnung umfassend eine fluidbetätigte Kupplungsanordnung und einen Freilauf

Info

Publication number: DE102012204368B4
Application number: DE102012204368.3A
Authority: DE
Inventors: Nadja Eisenmenger; Andreas Wengert; Felix Wiedmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2032-03-21
Also published as: DE102012204368A1; CN104204583A; US20150075942A1; US9360061B2; WO2013139786A1

Abstract

Kraftmaschinenanordnung umfassend einen Verbrennungsmotor (1) zum Antrieb einer ersten Welle (2) und einen hiermit mittels einer mit Über- oder Unterdruck betreibbaren fluidbetätigten Kupplungsanordnung (3) verbundenen Dampfmotor (4) zum Antrieb einer zweiten Welle (5), wobei ein mit der Kupplungsanordnung (3) zusammenwirkender Freilauf (6) zwischen der ersten Welle (2) und der zweiten Welle (5) angeordnet ist, um in einem ersten Betriebsmodus eine Drehbewegung der zweiten Welle (5) auf die erste Welle (2) zu übertragen und in einem zweiten Betriebsmodus einen freien Lauf der ersten Welle (2) zur zweiten Welle (5) zu realisieren, wobei ferner die Kupplungsanordnung (3) den Freilauf (6) reibschlüssig oder formschlüssig überbrückt, um die Drehbewegung des Verbrennungsmotors (1) über einen an die erste Welle (2) angeordneten Flansch (7) auf die zweite Welle (5) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der an die erste Welle (2) angeordnete Flansch (7) an einem Außenumfang einen sich über den Außenumfang erstreckenden, axial auf dem Außenumfang des Flansches (7) beweglichen Kupplungsbelag (9) aufweist, welcher eine in Richtung einer Wellenachse (10) geformte Ausprägung (11) besitzt, die parallel zu einer Stirnfläche des Flansches (7) verläuft und nicht am Flansch (7) anliegt, wobei der Freilaufträger (8) eine parallel zur Stirnfläche des Flansches (7) ausgebildete Reibfläche (12) aufweist, die zwischen der Stirnfläche des Flansches (7) und der Ausprägung (11) des Kupplungsbelages (9) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftmaschinenanordnung umfassend einen Verbrennungsmotor zum Antrieb einer ersten Welle und einen hiermit mittels einer Kupplungsanordnung verbundenen Dampfmotor zum Antrieb einer zweiten Welle, wobei ferner ein mit der Kupplungsanordnung zusammenwirkender Freilauf zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnet ist, um in einem ersten Betriebsmodus eine Drehbewegung der zweiten Welle auf die erste Welle zu übertragen und in einem zweiten Betriebsmodus einen freien Lauf der ersten Welle zur zweiten Welle zu realisieren.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf eine Antriebstechnik von Fahrzeugen, insbesondere eine Antriebstechnik, die einen Verbrennungsmotor und einen Dampfmotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors aufweist.
Stand der Technik
Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren kommt der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eine hohe Bedeutung zu. Verbrennungsmotoren wandeln zum Antrieb von Fahrzeugen einen Teil der chemischen Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie um. Dabei wird ein großer Teil der chemischen Energie als Abwärme freigesetzt, die durch das Kühlsystem oder im Abgas vom Verbrennungsmotor ungenutzt weggeleitet wird. Um diese Wärmeenergie zu nutzen, ist es denkbar, dass der Verbrennungsmotor mit einem Dampfmotor gekoppelt wird. Hierbei wird die Wärmeenergie aus dem Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Dampf verwendet, der in einer Expansionsmaschine entspannt wird und somit weitere Energie bereitstellt, die zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann.
Insbesondere eignet sich eine Kombination von einem Verbrennungsmotor mit einem Dampfmotor zur Abwärmenutzung bei einem Nutzkraftwagen, da hier der Verbrennungsmotor einen große Leistung abgeben muss und somit eine große Wärmeenergie zur Dampferzeugung zur Verfügung steht.
Aus dem allgemein bekannten Stand der Technik geht hervor, dass die Verbindung des Dampfmotors mit dem Verbrennungsmotor über eine starre Kupplung möglich ist. Der Verbrennungsmotor schleppt dabei bereits ab seinem Start den Dampfmotor mit, obwohl noch nicht genügend Dampfdruck für den Dampfmotor anliegt. Hierdurch ergibt sich der Nachteil, dass speziell beim Start des Verbrennungsmotors und solange die Wärmeentwicklung des Verbrennungsmotors moderat ist, die Effizienz des Gesamtsystems entsprechend der Reibung des Dampfmotors verschlechtert wird.
Ferner ist bekannt, dass der Dampfmotor und der Verbrennungsmotor über einen zwischengeschalteten Freilauf miteinander verbunden sind. Hierdurch kann der Verbrennungsmotor frei drehen, wenn nicht genügend Dampfdruck für den Dampfmotor anliegt. Somit muss in diesem Fall der Verbrennungsmotor die zusätzliche Reibleistung des Dampfmotors nicht aufbringen. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass der Verbrennungsmotor den Dampfmotor nicht mehr anschleppt, wodurch bei einer ungünstigen Stillstandsposition des Dampfmotors dieser ggf. nicht mehr von allein anlaufen kann.
Aus der DE 10 2010 031 498 A1 geht eine elektromagnetische Schaltkupplung hervor, welche einen Dampfmotor mit einem Verbrennungsmotor verbindet. Dabei ist eine erste Welle von dem Dampfmotor antreibbar und eine zweite Welle von dem Verbrennungsmotor antreibbar. Ferner ist ein Zwischenrad mit der ersten Welle verbunden und eine Kupplungsglocke zumindest mittelbar mit der zweiten Welle verbunden, wobei ein Freilauf zwischen dem Zwischenrad und der Kupplungsglocke angeordnet ist. Der Freilauf hat die Aufgabe die Drehbewegung von dem mit der ersten Welle verbundenen Zwischenrad auf die Kupplungsglocke zu übertragen und zudem einen freien Lauf der Kupplungsglocke zum Zwischenrad zu ermöglichen. Durch eine elektromagnetische Betätigungskraft, welche durch das Ansteuern eines Elektromagneten mittels einer Steuerung ausgelöst wird, ist zumindest mittelbar eine Reibkraft oder ein Formschluss zwischen dem Zwischenrad und der Kupplungsglocke erzeugbar.
Aus der DE 10 2010 054 336 A1 und der US 6 688 442 B2 sind fluidbetätigte Kupplungsanordnungen bekannt, die mit Unter- oder Überdruck betreibbar sind, der reibschlüssigen Überbrückung einer Freilaufkupplung dienen und zum Hochlauf einer Kurbelwelle genutzt werden.
Weiterhin sind aus der WO 2011/124 193 A1 ein Riemenscheibenfreilauf bekannt, der mit einer Kupplung überbrückt werden kann, und aus der DE 3148208 A1 eine Antriebseinrichtung aus einem Verbrennungsmotor und einem Dampfmotor.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem vorhergehend genannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kraftmaschinenanordnung umfassend einen Verbrennungsmotor und einen über einen Freilauf an den Verbrennungsmotor verbundenen Dampfmotor bereitzustellen, wobei ein Anlaufen des Dampfmotors durch die vom Verbrennungsmotor erzeugte Drehbewegung unterstützt werden soll.
Die Aufgabe wird ausgehend von einer Kraftmaschinenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist eine Kupplungsanordnung als eine mit Über- oder Unterdruck betreibbare fluidbetätigte Kupplungsanordnung ausgebildet und überbrückt den Freilauf reibschlüssig oder formschlüssig, um die Drehbewegung des Verbrennungsmotors über einen an die erste Welle angeordneten Flansch auf die zweite Welle zu übertragen.
Das hydraulische oder pneumatische Betätigen der Kupplungsanordnung ermöglicht eine sichere und einfache Betätigungsmöglichkeit. Eine Überbrückung des Freilaufes ist besonders vorteilhaft, da der Verbrennungsmotor ohne zusätzlichen Widerstand durch den Dampfmotor anlaufen kann und sobald genügend Dampf zum Betrieb des Dampfmotors vorhanden ist, wird die fluidbetätigbare Kupplungsanordnung geschlossen und der Dampfmotor angeschleppt. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Systems und ermöglicht mehr Motorleistung bei einem geringeren Kraftstoffverbrauch.
Ein Abschnitt des Freilaufträgers befindet sich zwischen dem Flansch und dem am Flansch angeordneten Kupplungsbelag, wobei weder ein Kontakt zwischen dem Flansch und dem Freilaufträger noch ein Kontakt zwischen dem Kupplungsbelag und dem Freilaufträger besteht. Der Kupplungsbelag ist derart mit dem Flansch verzahnt, dass eine axiale Bewegung des Kupplungsbelags möglich ist, eine radiale Bewegung jedoch ausgeschlossen ist.
Vorzugsweise ist ein auf die zweite Welle aufsteckbarer Freilaufträger an einer Stirnfläche einer Wellenschulter der zweiten Welle durch Mittel zur axialen und rotatorischen Fixierung befestigt, so dass die Drehbewegung der zweiten Welle auf den Freilaufträger übertragbar ist. Derartige Mittel können vorzugsweise Schrauben oder Stifte sein. Es ist aber auch denkbar, eine Nut in die zweite Welle einzubringen, um den Freilaufträger auf der zweiten Welle gegen ein Verdrehen abzusichern. Die axiale Sicherung kann dann vorzugsweise durch einen Wellenring und/oder eine Wellenmutter realisiert werden.
Des Weiteren bevorzugt ist ein Innenumfang des Freilaufs an einem als Ringfläche ausgebildeten Außenumfang des Freilaufträgers angeordnet und ein Außenumfang des Freilaufs ist an einem als Ringfläche ausgebildeten Innenumfang des Flansches angeordnet. Eine derartige Anordnung ermöglicht in einem ersten Betriebsmodus eine Drehbewegung der zweiten Welle auf die erste Welle zu übertragen und in einem zweiten Betriebsmodus einen freien Lauf der ersten Welle zur zweiten Welle zu realisieren.
Bei der Übertragung der Drehbewegung der zweiten Welle auf die erste Welle, erfolgt ein positiver Übertrag des Drehmomentes der zweiten Welle, so dass die erste Welle und dadurch auch der Verbrennungsmotor entlastet werden. Die Kraftstoffeinsparung rührt demnach von der Entlastung des Verbrennungsmotors durch den Dampfmotor, wobei der Dampfmotor die sonst an die Umgebung abgegeben Wärme in mechanische Energie umwandelt.
Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein Kupplungskolben in einem Gehäuse des Dampfmotors auf Höhe der Ausprägung des Kupplungsbelags angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst der Kupplungskolben einen auf einen Druckring wirkenden Ringkolben. Der Ringkolben besteht vorzugsweise aus einem relativ weichen Material und ist mit Dichtlippen und ausreichend Spiel im Gehäuse versehen, um bei einer axialen Bewegung des Ringkolbens sicherzustellen, dass es zu keinem Verklemmen oder Verkannten im Gehäuse kommt
Des Weiteren bevorzugt weist der Druckring in einer radial verlaufenden Aussparung ein Wälzlager auf. Das Wälzlager hat bei einem Kontakt mit der Ausprägung des Kupplungsbelags eine veschleißmindernde Wirkung, da bei einem Kontakt des Wälzlagers mit dem sich drehenden Kupplungsbelag die Wälzkörper im Wälzlager in Bewegung geraten und der Druckring somit nicht an der Ausprägung des Kupplungsbelags reibt.
Erfindungsgemäß führt ein an den Ringkolben angeordneter Kanal ein Fluid, wobei eine Druckbeaufschlagung des Fluides den Ringkolben axial bewegt und dadurch die Ausprägung des Kupplungsbelages an die Reibfläche des Freilaufträgers drückt, um einen Kontakt zwischen der Reibfläche des Freilaufträgers und dem Kupplungsbelag zu realisieren.
Die Dichtlippen dichten den Ringkolben im Gehäuse ab und schaffen einen Steuerraum, in dem das Fluid einströmen kann. Sobald das Fluid diesen Steuerraum füllt bewegt sich der Ringkolben in Richtung des Kupplungsbelags und drückt die Ausprägung des Kupplungsbelags gegen die Reibfläche des Freilaufträgers. Diese reibschlüssige Verbindung ermöglicht die Übertragung der Drehbewegung der ersten Welle auf die zweite Welle und realisiert das Anschleppen des Dampfmotors durch den Verbrennungsmotor.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Kraftmaschinenanordnung umfassend einen Verbrennungsmotor und einen Dampfmotor, die über eine fluidbetätigte Kupplungsanordnung miteinander verbunden sind,
2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung der in 1 dargestellten fluidbetätigten Kupplungsanordnung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel,
1 zeigt eine Kraftmaschinenanordnung mit einem Verbrennungsmotor 1 und einem Dampfmotor 4 die über eine fluidbetätigte Kupplungsanordnung 3 miteinander verbunden sind. Die fluidbetätigte Kupplungsanordnung 3 ist zwischen dem Dampfmotor 4 und dem Verbrennungsmotor 1 montiert. Der Verbrennungsmotor 1 weist vier Zylinder 1a, 1b, 1c, 1d auf. Ferner weist der Dampfmotor 4 zwei einander gegenüberliegende Zylinder 4a, 4b auf. Die Zylinder 4a, 4b des Dampfmotors 4 wirken auf eine zweite Welle 5, die von dem Dampfmotor 4 antreibbar ist. Die Zylinder 1a bis 1d wirken auf eine erste Welle 2 ein, die von dem Verbrennungsmotor 1 antreibbar ist. Da die fluidbetätigte Kupplungsanordnung 3 die erste Welle 2 und die zweite Welle 5 umfasst, ergibt sich eine kompakte Ausgestaltung der Kraftmaschinenanordnung. Außerdem sind Halterarme 19 vorgesehen, die ein Gehäuse des Dampfmotors 4 mit einem Motorblock des Verbrennungsmotors 1 verbinden.
2 ist eine vergrößerte Darstellung der Kupplungsanordnung 3. Ein auf die zweite Welle 5 aufsteckbarer Freilaufträger 8 ist an einer Stirnfläche einer Wellenschulter der zweiten Welle 5 durch Schrauben 21 befestigt, so dass die Drehbewegung der zweiten Welle 5 auf den Freilaufträger 8 übertragbar ist. Die zweite Welle 5 ist mittels eines Lagers 20a an einem Gehäuse 14 des Dampfmotors 4 gelagert und zusätzlich ist über ein Lager 20b ein verbrennungsmotorseitiger Flansch 7 auf der zweiten Welle 5 gelagert. Ein Innenumfang des Freilaufs 6 ist an einem als Ringfläche ausgebildeten Außenumfang des Freilaufträgers 8 angeordnet und ein Außenumfang des Freilaufs 6 ist an einem als Ringfläche ausgebildeten Innenumfang des Flansches 7 angeordnet. Der an die erste Welle 2 angeordnete Flansch 7 weist an einem Außenumfang einen sich über den Außenumfang erstreckenden, axial auf dem Außenumfang des Flansches 7 beweglichen Kupplungsbelag 9 auf, welcher eine in Richtung einer Wellenachse 10 geformte Ausprägung 11 besitzt, die parallel zu einer Stirnfläche des Flansches 7 verläuft. Der Freilaufträger 8 weist eine parallel zur Stirnfläche des Flansches 7 ausgebildete Reibfläche 12 auf, die zwischen der Stirnfläche des Flansches 7 und der Ausprägung 11 des Kupplungsbelages 9 angeordnet ist. Ein Kupplungskolben 13 ist in einem Gehäuse 14 des Dampfmotors 4 auf Höhe der Ausprägung 11 des Kupplungsbelags 9 angeordnet, wobei der Kupplungskolben 13 einen auf einen Druckring 15 wirkenden Ringkolben 16 umfasst und ein Wälzlager 17 in einer radial verlaufenden Aussparung des Druckrings 15 angeordnet ist. Ein an den Ringkolben 16 angeordneter Kanal 18 führt ein Fluid, wobei eine Druckbeaufschlagung des Fluides den Ringkolben 16 axial bewegt und dadurch die Ausprägung 11 des Kupplungsbelages 9 an die Reibfläche 12 des Freilaufträgers 8 drückt, um einen Kontakt zwischen der Reibfläche 12 des Freilaufträgers 8 und dem Kupplungsbelag 9 zu realisieren.
Im normalen Betrieb des Dampfmotors 4 am Verbrennungsmotor 1 ist der Freilauf 6 gesperrt und das Drehmoment des Dampfmotors 4 wird auf die erste Welle 2 übertragen. Im Startfall des Verbrennungsmotors 1 ist der Freilauf 6 aktiv, da noch kein Dampf in ausreichender Qualität zur Verfügung steht. Der Verbrennungsmotor 1 kann starten, ohne dass dabei der Dampfmotor 4 mitgeschleppt werden muss. Sobald ausreichend Dampf zur Verfügung steht, wird der Kupplungskolben 13 durch das Fluid mit Druck beaufschlagt und drückt den Kupplungsbelag 9 gegen den Freilaufträger 8. Durch den Reibschluss zwischen dem Kupplungsbelag 9 und dem Freilaufträger 8 wird Drehmoment vom Flansch 7 über den Kupplungsbelag 9 auf dem fest mit der zweiten Welle 5 verschraubten Freilaufträger 8 übertragen und der Dampfmotor 4 wird angeschleppt. Der Kupplungskolben 13 wird wieder drucklos gemacht sobald der Dampfmotor 4 aus eigener Kraft weiterläuft und über den nun gesperrten Freilauf 6 ein Drehmoment auf den Verbrennungsmotor 1 überträgt.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, den Dampfmotor 4 seitlich am Verbrennungsmotor 1 anzuordnen und ein Getriebe über Zahnriemen und Zahnräder anzuschließen. Ferner ist durch eine geringfügige Umgestaltung der in 2 dargestellten Ausführungsform ein Betrieb mit Unterdruck möglich, so dass der Kupplungsbelag 9 bei ziehendem anstatt drückendem Kupplungskolben 13 zur Anlage am Freilaufträger 8 kommen kann. Darüber hinaus können die Reibfläche 12 des Freilaufträgers 8 und die zum Freilaufträger 8 gerichtete Reibfläche der Ausprägung 11 derart strukturiert werden, um bei einem Kontakt einen Formschluss zu realisieren.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Kraftmaschinenanordnung umfassend einen Verbrennungsmotor (1) zum Antrieb einer ersten Welle (2) und einen hiermit mittels einer mit Über- oder Unterdruck betreibbaren fluidbetätigten Kupplungsanordnung (3) verbundenen Dampfmotor (4) zum Antrieb einer zweiten Welle (5), wobei ein mit der Kupplungsanordnung (3) zusammenwirkender Freilauf (6) zwischen der ersten Welle (2) und der zweiten Welle (5) angeordnet ist, um in einem ersten Betriebsmodus eine Drehbewegung der zweiten Welle (5) auf die erste Welle (2) zu übertragen und in einem zweiten Betriebsmodus einen freien Lauf der ersten Welle (2) zur zweiten Welle (5) zu realisieren, wobei ferner die Kupplungsanordnung (3) den Freilauf (6) reibschlüssig oder formschlüssig überbrückt, um die Drehbewegung des Verbrennungsmotors (1) über einen an die erste Welle (2) angeordneten Flansch (7) auf die zweite Welle (5) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der an die erste Welle (2) angeordnete Flansch (7) an einem Außenumfang einen sich über den Außenumfang erstreckenden, axial auf dem Außenumfang des Flansches (7) beweglichen Kupplungsbelag (9) aufweist, welcher eine in Richtung einer Wellenachse (10) geformte Ausprägung (11) besitzt, die parallel zu einer Stirnfläche des Flansches (7) verläuft und nicht am Flansch (7) anliegt, wobei der Freilaufträger (8) eine parallel zur Stirnfläche des Flansches (7) ausgebildete Reibfläche (12) aufweist, die zwischen der Stirnfläche des Flansches (7) und der Ausprägung (11) des Kupplungsbelages (9) angeordnet ist.
Kraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf die zweite Welle (5) aufsteckbarer Freilaufträger (8) an einer Stirnfläche einer Wellenschulter der zweiten Welle (5) durch Mittel zur axialen und rotatorischen Fixierung befestigt ist, so dass die Drehbewegung der zweiten Welle (5) auf den Freilaufträger (8) übertragbar ist.
Kraftmaschinenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenumfang des Freilaufs (6) an einem als Ringfläche ausgebildeten Außenumfang des Freilaufträgers (8) angeordnet ist und ein Außenumfang des Freilaufs (6) an einem als Ringfläche ausgebildeten Innenumfang des Flansches (7) angeordnet ist.
Kraftmaschinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungskolben (13) in einem Gehäuse (14) des Dampfmotors (4) auf Höhe der Ausprägung (11) des Kupplungsbelags (9) angeordnet ist.
Kraftmaschinenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungskolben (13) einen auf einen Druckring (15) wirkenden Ringkolben (16) umfasst.
Kraftmaschinenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckring (15) in einer radial verlaufenden Aussparung ein Wälzlager (17) aufweist.
Kraftmaschinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Ringkolben (16) angeordneter Kanal (18) ein Fluid führt, wobei eine Druckbeaufschlagung des Fluides den Ringkolben (16) axial bewegt und dadurch die Ausprägung (11) des Kupplungsbelages (9) an die Reibfläche (12) des Freilaufträgers (8) drückt, um einen Kontakt zwischen der Reibfläche (12) des Freilaufträgers (8) und dem Kupplungsbelag (9) zu realisieren.