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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Fremdbelüftungsaggregat für einen Motor und insbesondere, aber nicht ausschließlich, ein Fremdbelüftungsaggregat, das ein durch die Motorabgase angetriebenes erstes Verdichterlaufrad und ein zweites, von einer Ausgangswelle des Motors angetriebenes Verdichterlaufrad aufweist.
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Einführung
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Normalerweise gebraucht ein Fahrzeug einen oder mehrere Turbolader und/oder Kompressoren, um eine größere Menge an Luft oder Luft-Kraftstoff-Gemisch in einen Motor zu pressen. Dies erhöht den Verbrennungsdruck und die Motorleistung, wodurch ein vergleichsweise kleiner Motor einen optimierten Kraftstoffverbrauch bei normalen Fahrbedingungen und bei Bedarf höhere Leistung erbringen kann. Turbolader und Kompressoren wurden sowohl in Benzin- als auch in Dieselmotoren eingebaut, für die kommerzielle Nutzung sowie für den Einsatz in Personenkraftwagen (Pkw).
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Trotz der verhältnismäßig ausgereiften Technologie von Turboladern haben Turbolader bei modernen Benzin- und Dieselfahrzeugen viele Leistungsnachteile. Insbesondere betrifft einer der signifikantesten Kompromisse die Turbinenradgröße. Ein kleineres Turbinenrad spult schnell hoch, was hinsichtlich des Einschwingverhaltens (Führungsverhaltens), d.h. verringertem Turboloch (Turborückstand) förderlich ist. Jedoch bietet ein kleineres Turbinenrad möglicherweise nicht den ausreichenden Grad an maximalem Ladedruck. Ein größeres Turbinenrad ermöglicht höhere Levels des maximalen Ladedrucks, spult jedoch langsamer hoch, was unakzeptable Levels von Turbolöchern verursachen kann.
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Eine kürzlich entwickelte Turbolader-Technik bedient sich des Einsatzes von geregelten zweistufigen Registeraufladungssystemen, wobei zwei vergleichsweise kleine Turbolader als Alternative zu einem einzelnen größeren Turbolader verwendet werden. Diese geregelten zweistufigen Turboladersysteme weisen normalerweise einen kleinen Hochdruck-Turbolader in Reihe mit einem größeren Niederdruck-Turbolader auf. Als Alternative zu zweistufigen Turboladersystemen kann ein separates Turboladersystem in Reihe und/oder parallel zu einem Standard-Turboladersystem geschaltet werden, um ausreichend Ladedruck bei niedrigeren Drehzahlen zu erzeugen, während der Turbolader hochspult.
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Zweistufige Turboladersysteme benötigen viel Platz innerhalb des Fahrzeugmotors, da sie aus zwei Kompressorgehäusen, zwei Turbinengehäusen, zwei Zentralgehäusen sowie den zugehörigen Leitungssystemen (Kanalsysteme) bestehen. In der Regel sind solche zweistufigen Systeme mit dem Auspuffkrümmer integriert, um die Bauraumanforderungen zu minimieren, damit die Kosten nicht weiter steigen.
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Turbolader-Technologie für den Einsatz in Fahrzeugen mit Dieselmotor basiert auf spezifischen Leistungs-Breakpoints und erlebte die Ersetzung fester Turbinengeometrie-Technologie durch variable Turbinengeometrie-Technologie, um Leistung und Kraftstoffeinsparung zu verbessern. Jedoch kann variable Turbinengeometrie-Technologie im Vergleich zur festen Turbinengeometrie-Technologie die Kosten des Turboladersystems signifikant erhöhen. Bei Turboladern mit variabler Geometrie müssen auch Kompromisse hinsichtlich der Größe des Turbinenrads und der Dauer fürs Hochfahren gemacht werden.
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Aufgrund von Materialanforderungen, der Komplexität der Konstruktionen und Bauraumproblemen können zweistufige Turbosysteme erheblich teurer sein als die Summe der Komponenten, beispielsweise kann ein zweistufiges Turboladersystem mit variabler Turbinengeometrie mehr als das Doppelte der Standard-Turboladersysteme kosten.
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Grundprinzipien der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fremdbelüftungsaggregat gemäß Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche vorgesehen.
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Das Fremdbelüftungsaggregat kann ein Turbinengehäuse mit einer Turbinenkammer aufweisen. Das Fremdbelüftungsaggregat kann ein erstes Turbinenlaufrad aufweisen, das in der Turbinenkammer angebracht ist. Das erste Turbinenlaufrad kann derart konfiguriert werden, dass es durch die Motorabgase angetrieben wird.
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Die erste Rotationsantriebswelle kann derart konfiguriert sein, dass das erste Verdichterlaufrad mit dem ersten Turbinenlaufrad gekoppelt wird. Die erste Rotationsantriebswelle kann sich zwischen der Kompressorkammer und der Turbinenkammer erstrecken.
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Die zweite Rotationsantriebwelle kann sich über die Turbinenkammer erstrecken. Die zweite Rotationsantriebwelle kann sich durch eine Öffnung in einer Wand der Turbinenkammer hindurch erstrecken. Ein erstes Ende der zweiten Rotationsantriebwelle kann in der Kompressorkammer angebracht sein. Ein zweites Ende der zweiten Rotationsantriebwelle kann außerhalb des Fremdbelüftungsaggregats angebracht sein. Die zweite Rotationsantriebswelle kann derart konfiguriert sein, dass das zweite Verdichterlaufrad mit einem Rotationsantriebselement, beispielsweise einem Rotationsantriebselement der Ausgangswelle des Motors, einem Rotationsantriebselement des Zusatzgerätes oder einem Rotationsantriebselement des Motors gekoppelt wird. Das Rotationsantriebselement kann eine Riemenscheibe sein, zum Beispiel eine riemen- oder kettengetriebene Riemenscheibe. Das zweite Rotationsantriebselement kann mit der Ausgangswelle des Motors, dem Zusatzgerät des Motors oder dem Motor mittels einer mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Kupplung gekoppelt sein. Das zweite Rotationsantriebselement kann mit der Ausgangswelle des Motors, dem Zusatzgerät des Motors oder dem Motor mittels einer Bogenzahnkupplung gekoppelt sein, so dass die Drehzahl der zweiten Rotationsantriebswelle unterschiedlich, beispielsweise langsamer oder schneller als die Drehzahl der Ausgangswelle, des Zusatzgeräts des Motors oder des Motors ist.
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In einer Ausführungsform kann die zweite Rotationsantriebswelle sich von außerhalb des Kompressorgehäuses in die Verdichterkammer hinein erstrecken, beispielsweise kann sich die zweite Rotationsantriebswelle durch eine Öffnung in der Wand des Kompressorgehäuses hindurch erstrecken. Die erste und zweite Rotationsantriebswelle können mit einem Abstand zueinander angebracht sein und sich aus verschiedenen Richtungen in die Verdichterkammer hinein erstrecken.
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Die erste Rotationsantriebswelle kann zumindest teilweise innerhalb der zweiten Rotationsantriebswelle angebracht sein. Die zweite Rotationsantriebswelle kann zumindest teilweise innerhalb der ersten Rotationsantriebswelle angebracht sein. Die erste und zweite Rotationsantriebswelle können koaxial angeordnet sein. Die erste und zweite Rotationsantriebswelle können konzentrisch angeordnet sein. Die erste und zweite Rotationsantriebswelle können mit axialem Abstand voneinander angebracht sein. Die erste und zweite Rotationsantriebswelle können in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht sein. Beispielsweise können die erste und zweite Rotationsantriebswelle innerhalb des Kompressorgehäuses und/oder des Turbinengehäuses angebracht sein. Das Kompressorgehäuse und das Turbinengehäuse können Integral sein, zum Beispiel können die Verdichterkammer und die Turbinenkammer innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angebracht sein.
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Das Fremdbelüftungsaggregat kann ein oder mehrere zusätzliche Verdichterlaufräder aufweisen. Jedes zusätzliche Verdichterlaufrad kann durch eine zusätzliche Rotationsantriebswelle angetrieben werden.
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Ein oder mehrere zusätzliche Verdichterlaufräder können in der Verdichterkammer angebracht sein. Ein oder mehrere zusätzliche Verdichterlaufräder können in einer zusätzlichen Verdichterkammer des Kompressorgehäuses angebracht sein.
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Jede zusätzliche Rotationsantriebswelle kann durch Motorabgase, eine Ausgangswelle des Motors, ein Zusatzgerät des Motors oder einen Motor angetrieben werden.
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Jede zusätzliche Rotationsantriebswelle kann an ein zusätzliches Turbinenlaufrad gekoppelt sein. Jedes zusätzliche Turbinenlaufrad kann derart konfiguriert werden, dass es durch die Motorabgase angetrieben wird. Jedes zusätzliche Turbinenlaufrad kann in der Turbinenkammer angebracht sein. Jedes zusätzliche Turbinenlaufrad kann in einer zusätzlichen Turbinenkammer im Turbinengehäuse angebracht sein.
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Das Fremdbelüftungsaggregat kann einen oder mehrere Druckregler aufweisen, zum Beispiel eine oder mehrere Ladedruckregelklappen (Wastegates) und/oder ein oder mehrere Schnellentlüftungsventile. Das Fremdbelüftungsaggregat kann einen Drucksensor und/oder einen Massendurchflussmesser aufweisen. Das Fremdbelüftungsaggregat kann ein Steuergerät aufweisen, das konfiguriert ist, um den Ausgangsladedruck des Fremdbelüftungsaggregats und/oder Luftmassenströmungsrate der Luft durch das Fremdbelüftungsaggregat zu steuern.
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Die Verdichterlaufräder können so gewählt werden, dass unterschiedliche Leistungsanforderungen des Motors erfüllt werden, beispielsweise kann ein kleines Verdichterlaufrad gewählt werden, um die Hochfahrzeit zum Reduzieren von Turbolöchern zu verringern oder es kann ein größeres Verdichterlaufrad gewählt werden, um Hochdruckleistung für erhöhten Ladedruck zu erzeugen.
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Ein oder mehrere der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Verdichterlaufräder können ein Laufrad mit fester Geometrie oder ein Laufrad mit variabler Geometrie sein. Ein oder mehrere der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Verdichterlaufräder können ein Axiallaufrad, Radiallaufrad oder ein Diagonallaufrad sein.
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Ein oder mehrere der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Turbinenlaufräder können ein Laufrad mit fester Geometrie oder ein Laufrad mit variabler Geometrie sein. Ein oder mehrere der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Turbinenlaufräder können ein Axiallaufrad, Radiallaufrad oder ein Diagonallaufrad sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Fremdbelüftungsaggregat für einen Motor vorgesehen. Das Fremdbelüftungsaggregat weist ein Kompressorgehäuse mit einer Verdichterkammer auf. Das Fremdbelüftungsaggregat weist ein erstes Verdichterlaufrad auf, das in der Verdichterkammer angebracht ist. Das Fremdbelüftungsaggregat weist ein zweites Verdichterlaufrad auf, das in der Verdichterkammer angebracht ist. Das erste Verdichterlaufrad ist an eine erste Rotationsantriebswelle gekoppelt, die durch Motorabgase angetrieben wird. Das zweite Verdichterlaufrad ist an eine zweite Rotationsantriebswelle gekoppelt, die von einer Ausgangswelle des Motors, einem Zusatzgerät des Motors oder einem Motor angetrieben wird. Die zweite Rotationsantriebswelle erstreckt sich von außerhalb des Turbinengehäuses über die Turbinenkammer und in die Verdichterkammer. Die zweite Rotationsantriebswelle erstreckt sich von außerhalb des Turbinengehäuses durch eine Öffnung in der Wand des Turbinengehäuses bis in die Turbinenkammer.
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Beim ersten Verdichterlaufrad kann es sich um ein Turboladerlaufrad handeln. Der zweite Kompressor kann ein Verdichterlaufrad sein. Das zusätzliche Verdichterlaufrad kann entweder ein weiteres Turboladerlaufrad oder ein weiteres Verdichterlaufrad sein.
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Ein Kraftfahrzeug und/oder ein Motor können ein oder mehrere der Fremdbelüftungsaggregate gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung gibt es ein Verfahren zum Optimieren das Ausgangsladedrucks des Fremdbelüftungsaggregats gemäß Anspruch 22 der beigefügten Ansprüche.
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Das Verfahren kann den Antrieb einer zusätzlichen Rotationsantriebswelle aufweisen, die an ein weiteres Verdichterlaufrad des Fremdbelüftungsaggregats gekoppelt ist. Die zusätzliche Rotationsantriebswelle kann durch Motorabgase, eine Ausgangswelle des Motors, ein Zusatzgerät des Motors oder einen Motor angetrieben werden.
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Das Verfahren kann das Anpassen des Ausgangsladedrucks des Fremdbelüftungsaggregats beinhalten, je nach den Leistungsanforderungen des Motors und/oder des Fahrzeugs. Das Verfahren kann das unabhängige Anpassen der jeweiligen Drehzahl der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Rotationsantriebswelle des Fremdbelüftungsaggregats umfassen.
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Die Erfindung sieht auch Software vor, wie ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt, zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren und ein computerlesbares Medium mit einem darauf gespeicherten Programm für die Durchführung jedes der hierin beschriebenen Verfahren. Der Inhalt der Erfindung kann in Form eines Computerprogramms auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein oder es könnte beispielsweise in der Form eines Signals, wie einem herunterladbaren Datensignal von einer Internetwebseite oder in anderer Form, gespeichert sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und zur Verdeutlichung, wie sie umgesetzt werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
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1 ein Fremdbelüftungsaggregat gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
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2 ein weiteres Fremdbelüftungsaggregat gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fremdbelüftungsaggregat 101, beispielsweise eine integrierte Kompressor-Turboladereinheit für einen Kraftfahrzeugmotor. Bei niedrigeren Motordrehzahlen wird der anfängliche Ausgangsladedruck des Fremdbelüftungsaggregats durch ein Verdichterlaufrad erzeugt, zum Beispiel ein Turbolader-Verdichterlaufrad, angetrieben von einer Ausgangswelle des Motors, einem Zusatzgerät des Motors und/oder einem Motor. Bei einer höheren Motordrehzahl wird der nachfolgende und/oder zusätzliche Ladedruck durch ein weiteres Verdichterlaufrad erzeugt, zum Beispiel ein Turbolader-Verdichterlaufrad, das durch Abgase angetrieben wird.
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1 zeigt ein Fremdbelüftungsaggregat 101 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Fremdbelüftungsaggregat 101 weist ein Kompressorgehäuse 103 mit einer Verdichterkammer 105 auf, in der ein erstes Verdichterlaufrad 107 und ein zweites Verdichterlaufrad 109 angebracht ist. Im Beispiel von 1 ist das erste Verdichterlaufrad 107 ein Diagonallaufrad und das zweite Verdichterlaufrad 109 ist ein Axiallaufrad. Es ist jedoch zu begrüßen, dass jeweils die Konfiguration des ersten Verdichterlaufrads 107 und des zweiten Verdichterlaufrads 109 jede geeignete Form haben kann, zum Beispiel, Radialrad, Diagonalrad oder Axialrad.
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Das erste Verdichterlaufrad 107 ist an eine erste Rotationsantriebswelle 111 gekoppelt und das zweite Verdichterlaufrad 109 ist an eine zweite Rotationsantriebswelle 113 gekoppelt. Die erste Rotationsantriebswelle 111 wird durch die Motorabgase angetrieben. Die zweite Rotationsantriebswelle 113 wird durch eine Ausgangswelle des Motors angetrieben, zum Beispiel eine Kurbelwelle, ein Zusatzgerät des Motors, beispielsweise einen Anlasser des Motors, und/oder einen Motor, z. B. einen Elektromotor, der Teil eines Hybridantriebssystems des Fahrzeugs sein kann.
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In 1 weist das Fremdbelüftungsaggregat 101 ein Turbinengehäuse 115 mit einer Turbinenkammer 117 auf. Ein erstes Turbinenlaufrad 119 ist innerhalb der Turbinenkammer 117 angebracht und derart konfiguriert, dass es durch die Motorabgase angetrieben wird. Im Beispiel von 1 ist das erste Turbinenlaufrad 119 ein Diagonallaufrad, obwohl es begrüßt wird, dass das erste Turbinenlaufrad 119 in jeder geeigneten Form konfiguriert sein kann, zum Beispiel als Radialrad, Diagonalrad oder Axialrad.
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Die erste Rotationsantriebswelle 111 ist derart konfiguriert, dass sie sich zwischen der Turbinenkammer 117 und der Verdichterkammer 105 erstreckt und rotierend das erste Turbinenlaufrad 119 mit dem ersten Verdichterlaufrad 107 koppelt, so dass die Motorabgase das erste Verdichterlaufrad 107 antreiben.
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Die erste Rotationsantriebswelle 111 und die zweite Rotationsantriebswelle 113 sind koaxial zu der zweiten Rotationsantriebswelle 113 angeordnet, die sich axial über die erste Rotationsantriebswelle 111 erstreckt, so dass die erste Rotationsantriebswelle 111 und die zweite Rotationsantriebswelle 113 unabhängig voneinander rotieren können. Das erste Verdichterlaufrad 107 und das erste Turbinenlaufrad 119 sind an gegenüber liegenden Enden der ersten Rotationsantriebswelle 111 angebracht, obwohl es begrüßt wird, dass das erste Verdichterlaufrad 107 und das erste Turbinenlaufrad 119 an jeder beliebigen Stelle entlang der Länge der ersten Rotationsantriebswelle 111 angebracht werden kann. Das erste Verdichterlaufrad 107 und das erste Turbinenlaufrad 119 weisen jeweils eine zentrale Öffnung auf, die sich axial über die Verdichter- und Turbinenlaufräder 107, 119 erstrecken. Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich die zweite Rotationsantriebswelle 113 axial über die Rotationsantriebswelle 111, das erste Verdichterlaufrad 107 und das erste Turbinenlaufrad 119.
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Das Kompressorgehäuse 103 und das Turbinengehäuse 115 sind mit einem Abstand axial zueinander angebracht entlang der Rotationsachse der ersten und zweiten Rotationsantriebswellen 111, 113, dem Kompressorgehäuse 103 und dem Turbinengehäuse 115, die durch eine Gehäuseteil 121 verbunden sind. In einem anderen Beispiel können das Kompressorgehäuse 103 und das Turbinengehäuse 115 nahe beieinander liegen, nebeneinander, aneinander befestigt oder integral geformt sein. Beispielsweise können das Kompressorgehäuse 103 und das Turbinengehäuse 115 integral geformt sein. Auf diese Weise können die erste und zweite Rotationsantriebswelle 111, 113 in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht sein. Es ist zu begrüßen, dass das Kompressorgehäuse 103 und das Turbinengehäuse 115 in jedem geeigneten Abstand voneinander oder nahe beieinander angebracht werden können, je nach den Bauraumanforderungen des Motors.
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Das zweite Verdichterlaufrad 107 ist zu einem ersten Ende 122 der zweiten Rotationsantriebswelle 113 angebracht, die sich durch das erste Verdichterlaufrad 107 und in die Verdichtungskammer 105 erstreckt, so dass die ersten und zweiten Verdichterlaufräder 107, 109 mit Abstand axial zueinander angeordnet sind. Das andere Ende 124 der zweiten Rotationsantriebswelle 113 erstreckt sich durch das erste Turbinenlaufrad 119, durch die Turbinenkammer 117 und durch eine Öffnung in einer Wand 123 des Turbinengehäuses 115, so dass sich das andere Ende 124 der zweiten Rotationsantriebswelle 113 außerhalb des Turbinengehäuses 115 befindet. Ein Lagergehäuse (nicht dargestellt) kann die Öffnung in der Wand 123 bestimmen und kann ein Lager stützen (zum Beispiel ein abgedichtetes Innenlager), in dem die zweite Rotationsantriebswelle 113 läuft. Die zweite Rotationsantriebswelle 113 ist derart konfiguriert, dass ein zweites Verdichterlaufrad 109 an ein Rotationsantriebselement 126 gekoppelt ist, das sich außerhalb des Fremdbelüftungsaggregats 101 befindet. In dem Beispiel in 1 ist die zweite Rotationsantriebswelle 113 an eine Riemenscheibe 125 gekoppelt, die beispielsweise durch einen mit der Kurbelwelle des Motors verbundenen Riemen oder eine Kette angetrieben werden kann. In einem anderen Beispiel kann die zweite Rotationsantriebswelle 113 an eine Ausgangswelle eines Motors gekoppelt werden, z. B. an einen Elektromotor eines Hybridfahrzeugs. In einem weiteren Beispiel kann die zweite Rotationsantriebswelle 113 an ein zusätzliches Antriebselement gekoppelt werden, zum Beispiel an eine Ausgangswelle eines Anlassers oder einer Ölpumpe. In einem weiteren Beispiel kann die zweite Rotationsantriebswelle 113 an das Antriebselement 126 gekoppelt werden mittels einer mechanischen, elektrischen und/oder magnetischen Kupplung. Zusätzlich und/oder alternativ kann die zweite Rotationsantriebswelle 113 an das Rotationsantriebselement 126 gekoppelt werden mittels einer Bogenzahnkupplung, so dass die Drehzahl der zweiten Rotationsantriebswelle 113 unterschiedlich sein kann, zum Beispiel größer oder kleiner als die Drehzahl des Rotationsantriebselements 126. In einem weiteren Beispiel kann das Rotationsantriebselement 126, zum Beispiel die Riemenscheibe 125 an der zweiten Rotationsantriebswelle 113 befestigt oder integral geformt werden. In einem Beispiel kann die Riemenscheibe 125 an einem konischen Ende der zweiten Rotationsantriebswelle 113 montiert sein.
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Bei Motoren mit eigenständigen Turboladegeräten können die Massendurchflussraten der Motorabgase bei niedrigeren Drehzahlen nicht ausreichen, um ein Laufrad des Turboladers mit einer Drehzahl entsprechend eines gewünschten Ausgangsladedrucks des Turboladers anzutreiben. Es ist daher üblich, dass Motoren als Ergänzung des Ausgangsladedrucks mit einem separaten Turbolader ausgestattet sind. Da das Turboladegerät direkt von der Ausgangswelle des Motors angetrieben werden kann, ist der Kompressor in der Lage, eine ausreichende Ladedruckleistung bei niedrigeren Motordrehzahlen zu erzeugen. Ein eigenständiger Turbolader ist jedoch möglicherweise nicht in der Lage, eine ausreichende Ladedruckleistung bei höheren Drehzahlen zu erzeugen.
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Andere mögliche Lösungen zum Erbringen ausreichender Ladedruckausgangsleistung über den gesamten Drehzahlbereich sind: Verdichterlaufräder und/oder Turbinenlaufräder mit variabler Geometrie (VG); und parallel, sequenziell, ausgerichtete oder zusammengesetzte Turbolader/Kompressor-Systeme.
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Solche Systeme sind jedoch schwer, teuer und haben komplizierte Bauraumanforderungen.
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Das Fremdbelüftungsaggregat 101 besteht aus einem einzelnen Gerät, das für den Betrieb über den gesamten Bereich des erforderlichen Ausgangsladedrucks konfiguriert ist. Das Fremdbelüftungsaggregat 101 bietet Vorteile, da die Verdichterkammer 105 mit zwei unabhängig voneinander rotierenden Verdichterlaufrädern 107, 109 ausgestattet ist, worin die Verdichterlaufräder 107, 109 mit verschiedenen Mitteln angetrieben werden. Beispielsweise kann das zweite Verdichterlaufrad 109, das ggf. durch die Kurbelwelle des Motors angetrieben wird, den ursprünglichen Ausgangsladedruck zum Großteil erzeugen, beispielsweise bei niedrigeren Motordrehzahlen. Wenn ausreichender Luftmassenstrom verfügbar ist, zum Beispiel bei höheren Motordrehzahlen, kann das zweite Verdichterlaufrad 109, das durch die Motorabgase angetrieben wird, den Großteil des Ausgangsladedrucks erzeugen. Der Level des Ausgangsladedrucks ist eine Funktion eines ersten Ladedrucks vom ersten Verdichterlaufrad 107 und einem zweiten Ladedruck, der durch das zweite Verdichterlaufrad 109 erzeugt wird. Die erste und/oder zweite Rotationsantriebswelle 111, 113 kann selektiv abschaltbar sein, zum Beispiel durch einen oder mehrere Kupplungsmechanismen, bzw. von den ersten und/oder zweiten Verdichterlaufrädern. Abhängig von den Leistungsanforderungen des Motors können die ersten und/oder zweiten Verdichterlaufräder 107, 109 selektiv abgeschaltet werden. Für maximalen Ausgangsladedruck können das erste und zweite Verdichterlaufrad 107, 109 gleichzeitig betrieben werden.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel für das Fremdbelüftungsaggregat 101 entsprechend der vorliegenden Erfindung, das ähnliche Funktionen wie die vorstehend beschriebenen aufweisen kann, deren Funktionen und Vorteile gleichermaßen für das im Folgenden beschriebene Beispiel gelten. Im Beispiel von 2 weist das Fremdbelüftungsaggregat 101 ein zusätzliches Verdichterlaufrad 129 auf, das sich in der Verdichterkammer 105 befindet. Das zusätzliche Verdichterlaufrad 129 ist an ein weiteres Turbinenlaufrad 133 in der Turbinenkammer 117 durch eine zusätzliche Rotationsantriebswelle 131 gekoppelt. Das zusätzliche Verdichterlaufrad 129 und das zusätzliche Turbinenlaufrad 133 sind an gegenüberliegenden Enden der zusätzlichen Rotationsantriebswelle 131 angebracht. Das zusätzliche Turbinenlaufrad 133 ist derart konfiguriert, dass es durch die Motorabgase angetrieben wird. Im Beispiel von 2 sind das zusätzliche Verdichterlaufrad 129 und das zusätzliche Turbinenlaufrad 133 Axiallaufräder, obwohl es begrüßenswert ist, dass jedes zusätzliche Laufrad 129, 133 auf jede geeignete Weise konfiguriert sein kann.
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Obwohl 2 nur ein zusätzliches Verdichterlaufrad 129 zeigt, ist zu begrüßen, dass das Fremdbelüftungsaggregat 101 jede geeignete Anzahl zusätzlicher Verdichterlaufräder aufweisen kann. Jedes zusätzliche Verdichterlaufrad kann in der Verdichterkammer 105 oder in einer zusätzlichen Verdichterkammer des Fremdbelüftungsaggregats 101 angebracht sein. Beispielsweise kann das Kompressorgehäuse mehrere Verdichterkammern mit jeweils einem entsprechenden Verdichtereinlass 135 und Verdichterausgang 137 aufweisen. In ähnlicher Weise kann das Fremdbelüftungsaggregat 101 jede entsprechende Anzahl zusätzlicher Turbinenlaufräder aufweisen. Jedes zusätzliche Turbinenlaufrad kann in der Turbinenkammer 117 oder in einer zusätzlichen Turbinenkammer des Fremdbelüftungsaggregats 101 angebracht sein. Zum Beispiel kann das Turbinengehäuse mehrere Turbinenkammern mit jeweils einem entsprechenden Turbineneinlass 139 und Turbinenausgang 141 aufweisen.
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In 2 ist die zusätzliche Rotationsantriebswelle 131 in Bezug zur ersten und zweiten Rotationsantriebswelle 111, 113 koaxial angeordnet. Die zusätzliche Rotationsantriebswelle 131 ist zwischen der ersten und der zweiten Rotationsantriebswelle 111, 113 radial angebracht, so dass die zweite Rotationsantriebswelle 113 sich axial über die ersten und die zusätzlichen Rotationsantriebswellen 111, 131 erstreckt. Die zweite Rotationsantriebswelle 113 erstreckt sich durch eine Öffnung in der Wand 123 der Turbinenkammer, so dass das zweite Ende der zweiten Rotationsantriebswelle 113 sich außerhalb des Turbinengehäuses 115 befindet. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die zweite Rotationsantriebswelle 113 an ein Rotationsantriebselement eines Motors 143 gekoppelt, wobei der Motor 143 für den Antrieb des zweiten Verdichterlaufrads 109 konfiguriert ist. Wie im Beispiel der 1 kann die zweite Rotationsantriebswelle 113 an einen geeigneten Rotationsantriebsmechanismus gekoppelt sein, welcher z. B. vom Fremdbelüftungsaggregat 101 entfernt positioniert sein kann.
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In einer anderen Ausführungsform kann die zusätzliche Antriebswelle 131 sich durch eine Öffnung in der Wand 123 der Turbinenkammer erstrecken, so dass ein Ende der zusätzlichen Rotationsantriebswelle 133 sich außerhalb des Turbinengehäuses 115 befindet. Das Ende der zusätzlichen Rotationsantriebswelle 133, das sich außerhalb des Turbinengehäuses 115 befindet, kann mit einem Rotationsantriebselement 143 und/oder mit einem oder mehreren alternativen Rotationsantriebselementen gekoppelt werden. Daher ist es zu begrüßen, dass die zusätzliche Rotationsantriebswelle 133 durch Motorabgase, eine Ausgangswelle des Motors, ein Zusatzgerät des Motors oder einen Motor 143 angetrieben werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform (nicht abgebildet) kann die zweite und/oder zusätzliche Rotationsantriebswelle 113, 133 sich in die Verdichtungskammer 105 von außerhalb des Fremdbelüftungsaggregats 101 durch eine Öffnung in einer Wand der Verdichterkammer 103 erstrecken. Die zweite und/oder zusätzliche Rotationsantriebswelle 113, 133 kann koaxial und/oder mit Abstand axial zu der ersten Rotationsantriebswelle angeordnet sein, so dass die zweite und/oder die zusätzliche Rotationsantriebswelle 113, 133 sich nicht innerhalb der ersten Rotationsantriebswelle 111 befinden.
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Das Fremdbelüftungsaggregat 101 kann einen oder mehrere Druckregler aufweisen, zum Beispiel eine Ladedruckregelklappe (Wastegate) oder ein Schnellauslassventil. Das Fremdbelüftungsaggregat 101 kann einen oder mehrere Drucksensoren und/oder Massendurchflussmesser aufweisen, die zur Bestimmung des Drucks und des Massendurchflusses der Luft durch das Fremdbelüftungsaggregat 101 konfiguriert sind. Der eine, bzw. mehrere der Druckregler, Drucksensoren und/oder Massendurchflussmesser können an jeder geeigneten Stelle auf oder entfernt von dem Fremdbelüftungsaggregat 101 positioniert sein.
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Das Fremdbelüftungsaggregat 101 kann ein Steuergerät aufweisen, das konfiguriert ist, um den Ausgangsladedruck des Fremdbelüftungsaggregats und/oder die Luftmassendurchflussrate durch das Fremdbelüftungsaggregat 101 zu steuern. Das Steuergerät kann zur Steuerung eines oder mehrerer der Druckregler konfiguriert sein, um den Ladedruck des Fremdbelüftungsaggregats 101 entsprechend der Leistungsanforderungen des Motors zu regulieren.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Optimierung des Ladedrucks des Fremdbelüftungsaggregats 101 vor. Das Verfahren umfasst den Antrieb der ersten, an das erste Verdichterlaufrad 107 gekoppelten Rotationsantriebswelle 111 durch die Motorabgase. Das Verfahren umfasst ferner den Antrieb der zweiten Rotationsantriebswelle 113, die an ein zweites Verdichterlaufrad 109 gekoppelt ist, durch eine Ausgangswelle des Motors, ein Zusatzgerät des Motors oder einen Motor.
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Das Verfahren kann ferner eine oder mehrere zusätzliche Rotationsantriebswellen umfassen, die an ein weiteres Verdichterlaufrad des Fremdbelüftungsaggregats gekoppelt sind, wobei die zusätzliche Rotationsantriebswelle durch die Motorabgase, eine Ausgangswelle des Motors, ein Zusatzgerät des Motors oder einen Motor angetrieben wird. Das Verfahren kann ferner die Steuerung und/oder das Modifizieren der Drehzahl von einem oder mehreren der ersten, zweiten und/oder zusätzlichen Rotationsantriebswellen gemäß den Leistungsanforderungen des Motors und/oder des Fahrzeugs umfassen.
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Das Fremdbelüftungsaggregat 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist vorteilhaft, da es einen breiteren Ladedruckbereich, ein verbessertes Einschwingverhalten und eine höhere Leistung über den gesamten Drehzahlbereich im Vergleich zu den vorgenannten alternativen Lösungen bieten kann, beispielsweise im Vergleich zu Laufrädern mit variabler Geometrie-Technologie.
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Das Fremdbelüftungsaggregat 101 kann die Bauraumanforderungen verbessern, d. h. den benötigten Platzbedarf für das Fremdbelüftungsaggregat 101 im Motorraum verringern, verglichen zum Beispiel mit zweistufigen Registeraufladungssystemen. Durch das Fremdbelüftungsaggregat 101 entfällt die Notwendigkeit für ein separates Kompressorgehäuse, Turbinengehäuse, Zentralgehäuse und der zugehörigen Leitungskanäle, die sonst erforderlich wären. In der Regel wird ein zweistufiges Registeraufladungssystem wegen erheblicher Unterschiede in der Herstellung und den Stücklisten von Teilen/Prozessen separat zu einem Standard-Turboladersystem hergestellt. Das Fremdbelüftungsaggregat 101 gemäß der vorliegenden Offenbarung bietet viel mehr Gemeinsamkeiten (gleiche Teile) mit einem Standard-Turboladersystem, wodurch getrennte Fertigung und/oder Montageanforderungen wegfallen können.
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Es ist bekannt, dass für die Fertigung von Komponenten eines Standard-Turboladersystems teure Materialien wie Titanaluminide verwendet werden, um das Auftreten von Turbolöchern zu minimieren. Das Fremdbelüftungsaggregat 101 gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Notwendigkeit für diese teuren Materialien reduzieren oder beseitigen.
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Im Vergleich zu dem Fremdbelüftungsaggregat 101 benötigt ein herkömmliches Turboladesystem, z. B. ein zweistufiges Registeraufladungssystem, ein größeres Luftvolumen aufgrund der zusätzlichen zu füllenden Leitungskanäle, was in der Regel zu vorübergehendem Leistungsverlust während des Betriebs führt. Aufgrund der kompakten Bauweise der vorliegenden Offenbarung reduziert das Fremdbelüftungsaggregat 101 den Verlust von Ausgangsladedruck beim Übergang, da weniger Luft im System ist im Vergleich zu einem zweistufigen Registeraufladungssystem.
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Es wird von Fachleuten gewürdigt werden, dass, obwohl die Erfindung beispielhaft in Bezug auf ein oder mehrere Beispiele beschrieben wurde, sie sich nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt, und dass alternative Beispiele konstruiert werden könnten, ohne dabei vom Umfang und Anwendungsbereich der Erfindung im Sinne der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
