DE102015205590A1

DE102015205590A1 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit mechanischem Lader und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102015205590A1
Application number: DE102015205590.6A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kindl; Andreas Kuske; Jörg Kemmerling; Vanco Smiljanovski; Franz Arnd Sommerhoff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einer Kurbelwelle, – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, – einem mechanischen Lader (8), der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle (8a) angeordnetes Laufrad verfügt, und – einem Zugmitteltrieb (10), der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad (10a) umfasst, wobei das zweite Rad (10a) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rad (10a) mittels eines Planetengetriebes (1) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei – ein außenverzahntes Sonnenrad (4) des Planetengetriebes (1) drehfest auf der Antriebswelle (8a) angeordnet ist, – mindestens drei außenverzahnte Planetenräder (3) vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad (4) und einem die Planetenräder (3) umgebenden innenverzahnten Hohlrad (2) in Eingriff befinden, – das zweite Rad (10a) des Zugmitteltriebs (10) mittels eines Gestänges (5) mit den Planetenrädern (3) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei jedem Planetenrad (3) eine Welle (5a) des Gestänges (5) zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad (3) drehbar gelagert ist, und – ein elektrischer Antrieb (6) vorgesehen ist, um das Hohlrad (2) in Drehung zu versetzen.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einer Kurbelwelle,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle angeordnetes Laufrad verfügt, und
– einem Zugmitteltrieb, der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad umfasst, wobei das zweite Rad mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art beschreibt beispielsweise die US 2008/0173017 A1 , wobei eine Elektromaschine als elektrischer Hilfsantrieb den mechanischen Lader antreiben kann oder als Generator zur Energierückgewinnung verwendet wird.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Zugmitteltrieb, zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der hilfsweise mittels Elektromaschine antreibbar ist.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Abblaseleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Da eine Abgasturboaufladung insbesondere unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader kostenintensiv ist, kann anstelle einer Abgasturboaufladung auch eine Aufladung mittels einem mechanischem Lader vorgenommen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen mechanischen Lader. Die aus dem Stand der Technik bekannten mechanischen Lader erfordern hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Ansprechverhaltens noch deutliche Verbesserungen, um den Anforderungen moderner Brennkraftmaschinen mit kleinerem Hubraum gerecht werden zu können.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– einer Kurbelwelle,
– einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
– einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle angeordnetes Laufrad verfügt, und
– einem Zugmitteltrieb, der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad umfasst, wobei das zweite Rad mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das zweite Rad mittels eines Planetengetriebes mit der Antriebswelle zumindest antriebsverbindbar ist, wobei
– ein außenverzahntes Sonnenrad des Planetengetriebes drehfest auf der Antriebswelle angeordnet ist,
– mindestens drei außenverzahnte Planetenräder vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad und einem die Planetenräder umgebenden innenverzahnten Hohlrad in Eingriff befinden,
– das zweite Rad des Zugmitteltriebs mittels eines Gestänges mit den Planetenrädern zumindest antriebsverbindbar ist, wobei jedem Planetenrad eine Welle des Gestänges zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad drehbar gelagert ist, und
– ein elektrischer Antrieb vorgesehen ist, um das Hohlrad in Drehung zu versetzen.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt im Antriebsstrang der mechanischen Aufladung zwischen der Kurbelwelle und dem Lader über ein Planetengetriebe zur Leistungsübertragung.
Das Planetengetriebe sorgt bei stehendem, d. h. nicht drehendem Hohlrad für eine gewisse Standardübersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Antriebswelle, nämlich dafür, dass sich die Antriebswelle schneller dreht als die Kurbelwelle, d. h. die Drehzahl n_compressor der Antriebswelle höher ist als die Drehzahl n_crankshaft der Kurbelwelle.
Erfindungsgemäß kann nun das Hohlrad des Getriebes unter Verwendung eines elektrischen Antriebs in Drehung versetzt werden, um das Übersetzungsverhältnis i = n_compressor/n_crankshaft zu variieren.
Von besonderer Bedeutung ist dabei die Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses i, wozu das Hohlrad gegensinnig zu den Planetenrädern des Getriebes in Drehung versetzt wird. Diese Maßnahme ermöglicht auch bei niedrigen Motordrehzahlen eine hohe Drehzahl der Laderwelle und damit die Bereitstellung eines ausreichend hohen Ladedrucks bei niedrigen Motordrehzahlen.
Darüber hinaus kann das Übersetzungsverhältnis i vorzugsweise auch verkleinert werden, indem das Hohlrad gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung versetzt wird.
Lässt sich die Drehzahl des Hohlrades in beide Drehrichtungen stufenlos variieren, kann das Übersetzungsverhältnis i beliebig, insbesondere bedarfsgerecht, eingestellt werden. Der vom Lader bereitgestellte Ladedruck kann in vorteilhafter Weise mittels Planetengetriebe, d. h. über die Drehung des Hohlrades eingestellt und gesteuert bzw. geregelt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Planetengetriebes ist die kurze Verstellzeit des Getriebes, wodurch sich das Ansprechverhalten der Aufladung deutlich verbessert. Auf eine Veränderung der laderseitigen Randbedingungen lässt sich vergleichsweise schnell reagieren.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen drei außenverzahnte Planetenräder vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Batterie vorgesehen ist, welche die für den elektrischen Antrieb erforderliche elektrische Energie liefert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Arretiervorrichtung vorgesehen ist, mit der das Hohlrad gegen Drehung fixierbar ist.
Eine Arretiervorrichtung gewährleistet eine konstante Standardübersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Antriebswelle bei stillstehendem, sich nicht bewegendem Hohlrad.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb geeignet ist, das Hohlrad gegensinnig zu den Planetenrädern in Drehung zu versetzen.
Durch gegensinniges Drehen des Hohlrades zu den Planetenrädern lässt sich das Übersetzungsverhältnis i vergrößern. Auf diese Weise kann der Ladedruck erhöht werden, insbesondere auch bei niedrigen Motordrehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck bereitgestellt werden.
Lässt sich die Drehzahl des Hohlrades in beide Drehrichtungen stufenlos variieren, kann das Übersetzungsverhältnis i beliebig, insbesondere bedarfsgerecht, eingestellt werden.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb geeignet ist, das Hohlrad gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung zu versetzen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb mindestens ein Zahnrad umfasst, das sich mit dem Hohlrad in Eingriff befindet.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der elektrische Antrieb ein Elektromotor ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst.
Mittels elektrischen Antriebs lässt sich ein bedarfsgerechter Antrieb des Laders realisieren, wobei man unabhängig ist vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Motordrehzahl.
Ein Elektromotor eröffnet zudem in einfacher Weise die Möglichkeit, dem Hohlrad eine Umlaufbewegung in unterschiedliche Drehrichtungen aufzuzwingen. So kann beispielsweise durch eine Umkehrung der Richtung des elektrischen Stroms von einer zu den Planetenrädern gegensinnigen Drehbewegung auf eine gleichsinnige Drehbewegung gewechselt werden.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Hohlrad den Rotor bildet.
Der feststehende Stator kann bei einem Gleichstrommotor als Dauermagnet ausgeführt werden. Alternativ erfolgt eine Fremderregung über eine Erregerspule, wie beim Wechselstrommotor. Wird Strom durch die Spule geleitet, baut sich ein Magnetfeld auf.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Stator eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die bestrombare Spule das als Rotor dienende Hohlrad umgibt.
Im Inneren des Stators ist ein Rotor angeordnet, der drehbar im Magnetfeld des Stators angeordnet und gelagert ist. Der Rotor kann ebenfalls über eine Spule mit als Anker dienendem Eisenkern verfügen. Wird der Rotor dann bestromt, baut sich auch im Rotor ein Magnetfeld auf, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators tritt, so dass sich der Rotor dreht. Auf diese Weise kann elektrische Energie in Bewegungsenergie bzw. eine Bewegung des Rotors und damit der Laderwelle umgewandelt werden. Das Magnetfeld im Rotor steht relativ zum Stator fest.
Vorteilhaft können somit Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Hohlrad eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Vorteilhaft sind aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Hohlrad mindestens einen Dauermagneten zur Ausbildung eines Magnetfeldes umfasst. Dann muss der Stator aber eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfassen.
Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform betreffend eine bestrombare Rotorspule, welche eine getaktete Stromzuführung zu der rotierenden Spule des Rotors erfordert, handelt es sich vorliegend um eine Variante, welche keine Stromumkehr und damit keine Bürsten erfordert. Diese Art eines Elektromotors ist weniger komplex, weist einen geringeren Raumbedarf auf und eignet sich daher für Anwendungen mit wenig Bauraum, wie der vorliegenden Anwendung. Ein weiterer Vorteil des Dauermagneten ist das höhere Rastmoment bei deaktiviertem Elektromotor, d. h. bei nicht bestromter Statorspule, d. h. Erregerspule.
Dann kann der nicht bestromte Stator die Funktion einer Arretiervorrichtung übernehmen und das Hohlrad gegen Drehung fixieren.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mechanischen Laders ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.
Bei Brennkraftmaschinen mit einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Werden der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und der Lader in Reihe angeordnet, kann der Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet sein.
Vorteilhaft sind daher unter anderem Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromabwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Vorliegend dient der Verdichter des Abgasturboladers als Hochdruckstufe, bei dem ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich wird, so dass auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Hierbei dient der mechanische Lader als Hochdruckstufe und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers als Niederdruckstufe, der auf große Verdichterströme auszulegen ist, d. h. entsprechend zu dimensionieren ist.
Der Lader wird erfindungsgemäß bei stillstehendem Hohlrad rein mechanisch von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine via Zugmitteltrieb und Planetengetriebe angetrieben. Der elektrische Antrieb dient primär dazu, das Hohlrad in Drehung zu versetzen und auf diese Weise das Übersetzungsverhältnis i zu ändern. Nichtsdestotrotz besteht die Möglichkeit, den Lader rein elektrisch unter Verwendung des elektrischen Antriebs zu betreiben, wodurch sich die Flexibilität der Aufladung erhöht.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen der Kurbelwelle und dem Gestänge eine Kupplung zur Unterbrechung eines Kraftflusses vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kupplung zwischen dem zweiten Rad und dem Gestänge vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Kupplung eine elektromagnetische Kupplung ist. Eine elektromagnetische Kupplung zeichnet sich durch die schnellen Schaltzeiten aus. Dies ermöglicht ein schnelles Schließen und Öffnen, d. h. ein schnelles Aktivieren und Deaktivieren der Kupplung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Laders in das Ansaugsystem mündet.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei mit x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die durch den Lader geführte und komprimierte Ladeluft bezeichnet.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Hohlrad mittels dem elektrischen Antrieb in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i = n_compressor/n_crankshaft zu beeinflussen, wobei n_compressor die Drehzahl der Antriebswelle und n_crankshaft die Drehzahl der Kurbelwelle bezeichnet.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Hohlrad mittels elektrischen Antriebs gegensinnig zu den Planetenrädern in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu vergrößern.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen das Hohlrad mittels elektrischen Antriebs gleichsinnig mit den Planetenrädern in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu verkleinern.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1a und 1b näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1a schematisch und in eine Ebene gedreht das Planetengetriebe einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine, und
1b schematisch und in eine Ebene gedreht das Planetengetriebe einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1a zeigt schematisch und in eine Ebene gedreht das Planetengetriebe 1 einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
Dargestellt ist ein Fragment des Antriebs eines mechanischen Laders 8, der im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Lader 8 verfügt über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle 8a angeordnetes Laufrad, wobei die Antriebswelle 8a mittels eines Zugmitteltriebs 10 und einem Planetengetriebe 1 mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zumindest antriebsverbindbar ist. Der Zugmitteltrieb 10 umfasst neben dem Zugmittel und einem auf der Kurbelwelle angeordnetem ersten Rad ein laderseitiges zweites Rad 10a.
Das zweite Rad 10a ist vorliegend via Planetengetriebe 1 mit der Antriebswelle 8a verbunden. Ein außenverzahntes Sonnenrad 4 des Planetengetriebes 1 ist hierzu drehfest auf der Antriebswelle 8a angeordnet, wobei drei außenverzahnte Planetenräder 3 vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad 4 und einem die Planetenräder 3 umgebenden innenverzahnten Hohlrad 2 in Eingriff befinden. Das zweite Rad 10a des Zugmitteltriebs 10 ist mittels eines Gestänges 5 mit den Planetenrädern 3 antriebsverbunden, wobei jedem Planetenrad 3 eine Welle 5a des Gestänges 5 zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad 3 drehbar gelagert ist.
Bei stehendem, d. h. nicht drehendem Hohlrad 2 sorgt das Planetengetriebe 1 für eine konstante Standardübersetzung zwischen der Kurbelwelle und der Antriebswelle 8a.
Vorliegend ist ein elektrischer Antrieb 6 vorgesehen, um das Hohlrad 2 in Drehung zu versetzen und das Übersetzungsverhältnis i = n_compressor/n_crankshaft variieren zu können, wobei n_compressor die Drehzahl der Antriebswelle 8a und n_crankshaft die Drehzahl der Kurbelwelle bezeichnet.
Als elektrischer Antrieb 6 dient ein Elektromotor 7, der einen Stator 7b und einen Rotor 7a umfasst. Das Hohlrad 2 ist mit mindestens einem Dauermagneten 9a zur Ausbildung eines Magnetfeldes ausgestattet und bildet den Rotor 7a. Ein feststehender Stator 7b umgibt das Hohlrad 2 und verfügt über eine bestrombare Spule 9b zum Aufbau eines weiteren Magnetfeldes.
Wird Strom durch die Spule 9b geleitet, baut sich ein Magnetfeld auf. Im Inneren des Stators 7b ist das Hohlrad 2 drehbar im Magnetfeld des Stators 7b angeordnet und gelagert. Das Magnetfeld des Hohlrades 2 tritt in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators 7b, so dass sich das Hohlrad 2 dreht. Auf diese Weise wird das Hohlrad 2 mittels elektrischer Energie in Drehung versetzt.
Der Dauermagnet 9a des Hohlrades 2 weist bei deaktiviertem Elektromotor 7, d. h. bei nicht bestromter Spule 9b ein hohes Rastmoment auf, welches das Hohlrad 2 gegen Verdrehen fixiert. Eine zusätzliche Arretiervorrichtung ist nicht erforderlich.
Dem Hohlrad 2 kann mittels Elektromotor 7 eine Umlaufbewegung in unterschiedliche Drehrichtungen aufgezwungen werden. Durch eine Umkehrung des elektrischen Stroms kann von einer zu den Planetenrädern 3 gegensinnigen Drehbewegung auf eine mit den Planetenrädern 3 gleichsinnigen Drehbewegung gewechselt werden.
1b zeigt schematisch und in eine Ebene gedreht das Planetengetriebe 1 einer zweiten Ausführungsform der Brennkraftmaschine. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1a dargestellten Ausführungsform ist gemäß 1b ein elektrischer Antrieb 6 für das Hohlrad 2 vorgesehen, der ein außenverzahntes Antriebsrad 6a umfasst, welches sich vorliegend mit einer Außenverzahnung des Hohlrades 2 in Eingriff befindet.
Bezugszeichenliste

1: Planetengetriebe
2: Hohlrad
3: Planetenrad
4: Sonnenrad
5: Gestänge
5a: Gestängewelle eines Planetenrades
6: elektrischer Antrieb
6a: außenverzahntes Antriebsrad
7: Elektromotor
7a: Rotor
7b: Stator
8: mechanischer Lader
8a: Antriebswelle des Laders, Laderwelle
9a: Dauermagnet
9b: elektrisch bestrombare Spule
10: Zugmitteltrieb
10a: zweites Rad
n_crankshaft: Drehzahl der Kurbelwelle
n_compressor: Drehzahl der Antriebswelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0173017 A1 [0003]

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine mit – einer Kurbelwelle, – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft, – einem mechanischen Lader (8), der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer drehbaren Antriebswelle (8a) angeordnetes Laufrad verfügt, und – einem Zugmitteltrieb (10), der außer dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein laderseitiges zweites Rad (10a) umfasst, wobei das zweite Rad (10a) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rad (10a) mittels eines Planetengetriebes (1) mit der Antriebswelle (8a) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei – ein außenverzahntes Sonnenrad (4) des Planetengetriebes (1) drehfest auf der Antriebswelle (8a) angeordnet ist, – mindestens drei außenverzahnte Planetenräder (3) vorgesehen sind, die sich mit dem Sonnenzahnrad (4) und einem die Planetenräder (3) umgebenden innenverzahnten Hohlrad (2) in Eingriff befinden, – das zweite Rad (10a) des Zugmitteltriebs (10) mittels eines Gestänges (5) mit den Planetenrädern (3) zumindest antriebsverbindbar ist, wobei jedem Planetenrad (3) eine Welle (5a) des Gestänges (5) zugeordnet ist, auf der das jeweilige Planetenrad (3) drehbar gelagert ist, und – ein elektrischer Antrieb (6) vorgesehen ist, um das Hohlrad (2) in Drehung zu versetzen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei außenverzahnte Planetenräder (3) vorgesehen sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Batterie vorgesehen ist, welche die für den elektrischen Antrieb (6) erforderliche elektrische Energie liefert.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arretiervorrichtung vorgesehen ist, mit der das Hohlrad (2) gegen Drehung fixierbar ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (6) geeignet ist, das Hohlrad (2) gegensinnig zu den Planetenrädern (3) in Drehung zu versetzen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (6) geeignet ist, das Hohlrad (2) gleichsinnig mit den Planetenrädern (3) in Drehung zu versetzen.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (6) mindestens ein Zahnrad (6a) umfasst, das sich mit dem Hohlrad (2) in Eingriff befindet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb (6) ein Elektromotor (7) ist, der einen Stator (7b) und einen Rotor (7a) umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) den Rotor (7a) bildet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (7b) eine bestrombare Spule (9b) zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bestrombare Spule (9b) das als Rotor (7a) dienende Hohlrad (2) umgibt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) eine bestrombare Spule zum Aufbau eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) mindestens einen Dauermagneten (9a) zur Ausbildung eines Magnetfeldes umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des mechanischen Laders (8) ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche mit einem Abgasabführsystem zum Abführen der Abgase, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kurbelwelle und dem Gestänge (5) eine Kupplung zur Unterbrechung eines Kraftflusses vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung zwischen dem zweiten Rad (10a) und dem Gestänge (5) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) mittels dem elektrischen Antrieb (6) in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i = n_compressor/n_crankshaft zu beeinflussen, wobei n_compressor die Drehzahl der Antriebswelle (8a) und n_crankshaft die Drehzahl der Kurbelwelle bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) mittels elektrischem Antrieb (6) gegensinnig zu den Planetenrädern (3) in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (2) mittels elektrischem Antrieb (6) gleichsinnig mit den Planetenrädern (3) in Drehung versetzt wird, um das Übersetzungsverhältnis i zu verkleinern.