DE10214790A1

DE10214790A1 - Brennkraftmaschine mit kombinierter Aufladung

Info

Publication number: DE10214790A1
Application number: DE10214790A
Authority: DE
Inventors: Marc Hladun; Manfred Kloft
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit kombinierter Aufladung unter Verwendung eines Abgasturboladers und eines mechanischen Laders, wobei zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader eine mittels Fliehkraft betätigbare Kupplung angeordnet ist. Es wird die Aufgabe gelöst, eine solche Kupplung derart anzuordnen, dass sie mit Kurbelwelle und Laderantriebswelle zwar in Wirkverbindung steht, jedoch nicht unmittelbar an einer dieser beiden Baugruppen angeordnet ist. Dies wird erreicht, indem die Kupplung einer Kühlmittelpumpe zugeordnet wird, die zwei Riemenscheiben aufweist, von denen die erste Riemenscheibe (1) über einen Riemen mit der Kurbelwelle und von denen die zweite Riemenscheibe (2) über einen Riemen mit der Antriebswelle des Laders in Wirkverbindung steht und wobei am Gehäuse (3) der Kühlmittelpumpe zumindest ein Drehbolzen (8) abgestützt ist, auf dem im Innenraum des Pumpengehäuses (3) ein als Verbindungselement zwischen den beiden Riemenscheiben (1; 2) ausgestalteter Fliehbacken (7) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit kombinierter Aufladung unter Verwendung eines Abgasturboladers und eines mechanischen Laders, wobei zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader eine mittels Fliehkraft betätigbare Kupplung angeordnet ist, mit der in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine der Kraftfluss zwischen Kurbelwelle und mechanischem Lader aufrechterhalten oder unterbrochen wird.
Die Aufladung von Brennkraftmaschinen wird genutzt, um bei gegebenem Hubraum höhere Leistungen zu realisieren. Hierfür sind beispielsweise Abgasturbolader geeignet, die neben zahlreichen Vorteilen (flexible Anbaumöglichkeiten, kompakte Bauweise usw.) allerdings auch Nachteile aufweisen. Insbesondere bei kleinvolumigen Ottomotoren ist die Anwendung von Abgasturboladern aufgrund der relativen Drehmomentschwäche und des verzögerten Ansprechverhaltens im unteren Drehzahlbereich problematisch.
Derartige Nachteile können weitgehend durch einen sog. Verbundbetrieb vermieden werden, indem die Abgasturboaufladung mit einer zusätzlichen mechanischen Aufladung gekoppelt wird. Dabei wird der zusätzliche mechanische Lader überwiegend mit einer festen Übersetzung von der Kurbelwelle angetrieben. Somit ist der Luftdurchsatz dieses Laders nicht vom Lastzustand der Brennkraftmaschine abhängig, sondern lediglich von deren Drehzahl. Der mechanische Lader liefert im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein, dem Übersetzungsverhältnis entsprechendes Luftvolumen. Demzufolge steht auch bei Leerlauf der Brennkraftmaschine - also in dem, bei Verwendung von lediglich einem Abgasturbolader problematischen unteren Drehzahlbereich - ein der Drehzahl entsprechender Ladedruck zur Verfügung.
Im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine mit entsprechend hohen Drehzahlen des mechanischen Laders steigt dessen Antriebsleistung überproportional an. In diesem oberen Drehzahlbereich liefern optimierte Abgasturbolader jedoch ein sowohl stationär als auch instationär ausreichendes Luftvolumen bei niedrigen Reaktionszeiten im instationären Bereich. Folglich bewirkt der vom mechanischen Lader erzeugte Luftstrom in diesem Betriebsbereich keine höhere Leistung, so dass eine zusätzliche mechanische Aufladung an sich nicht mehr benötigt wird. Diese Charakteristik hat bei kombinierter Aufladung mittels mechanischem Lader und Abgasturbolader dazu geführt, dass bei einer vorgegebenen Drehzahl der mechanische Lader abgeschaltet wird. Dies wird realisiert, indem zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader eine Kupplung angeordnet ist, die den Kraftfluss bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl unterbricht.
Gemäß DE 44 12 618 A1 wird der Kraftfluss zwischen Kurbelwelle und mechanischem Lader vorzugsweise mit einer elektromagnetisch betriebenen Kupplung hergestellt bzw. unterbrochen. Derartige Magnetkupplungen weisen Vorteile bezüglich Bauraum und geringem Fertigungsaufwand auf. Nachteilig ist jedoch, dass sowohl eine zusätzliche Steuerungseinheit als auch eine zusätzliche Zuführung von Fremdenergie benötigt wird. Deshalb wird in DE 44 12 618 A1 weiterhin vorgeschlagen, dass anstelle der elektromagnetisch betätigbaren Kupplung eine fliehkraftbetätigbare Kupplung verwendet wird. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der jeweils verwendeten Kupplungsart (die in dieser Druckschrift ohnehin nur pauschal benannt, jedoch nicht näher dargelegt wird) ist die vorgeschlagene Anordnung der Kupplung unmittelbar auf der Kurbelwelle und/oder auf der Laderantriebswelle nachteilig. Eine derartige Ausgestaltung erfordert zwangsläufig ausreichend freien Bauraum an diesen Baugruppen, der jedoch insbesondere bei kompakten Motorkonstruktionen kaum verfügbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader eine mittels Fliehkraft betätigbare Kupplung anzuordnen, die mit diesen beiden Baugruppen zwar in Wirkverbindung steht, jedoch nicht unmittelbar an der Kurbelwelle und/oder der Laderantriebswelle angeordnet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Kupplung einer Kühlmittelpumpe zugeordnet wird, die zwei Riemenscheiben aufweist, von denen die erste Riemenscheibe über einen Riemen mit der Kurbelwelle und von denen die zweite Riemenscheibe über einen Riemen mit der Antriebswelle des Laders in Wirkverbindung steht und wobei am Gehäuse der Kühlmittelpumpe zumindest ein Drehbolzen abgestützt ist, auf dem im Innenraum der Kühlmittelpumpe ein, als Verbindungselement zwischen den beiden Riemenscheiben ausgestalteter Fliehbacken gelagert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Somit wird eine, in Abhängigkeit der Drehzahl selbsttätig schaltende Kupplung geschaffen. Das bevorzugte Einsatzgebiet sind kleinvolumige Ottomotoren mit kombinierter Aufladung unter Verwendung eines Abgasturboladers und eines mechanischen Laders. Durch die bauliche Integration der Kupplung in die Kühlmittelpumpe wird eine kostengünstige und platzsparende Bauweise erzielt. Gleichzeitig wird eine stoß- und ruckfreie Kuppelcharakteristik gewährleistet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kupplung in teilweiser Schnittdarstellung
Fig. 2 die wesentlichen Bauteile der Kupplung in Explosivdarstellung
Fig. 3 den Verlauf des Kupplungsmoments in Abhängigkeit der Drehzahl
Die gezeigte Kupplung ist vorzugsweise für Brennkraftmaschinen mit kombinierter Aufladung unter Verwendung eines Abgasturboladers und eines mechanischen Laders geeignet. Hierbei wird die mittels Fliehkraft betätigbare Kupplung zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader angeordnet, um den Kraftfluss zwischen diesen beiden Bauteilen in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine entweder aufrechtzuerhalten oder zu unterbrechen.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Kupplung einer Kühlmittelpumpe zugeordnet wird, die zwei Riemenscheiben 1 und 2 aufweist. Die erste Riemenscheibe 1 steht in an sich bekannter Weise mit der, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Kurbelwelle über einen, ebenfalls nicht näher dargestellten Riemen in Wirkverbindung. Dieser Riemen, der auf der ersten Riemenscheibe 1 läuft, treibt neben der Kühlmittelpumpe auch die weiteren Nebenaggregate der Brennkraftmaschine an. Die erste Riemenscheibe 1 stellt folglich den Antrieb sowohl für die Kühlmittelpumpe als auch für die erfindungsgemäße Kupplung dar.
Die zweite Riemenscheibe 2 steht über einen weiteren Riemen mit der Antriebswelle des Laders in Wirkverbindung, wobei auch dieser Riemen sowie die Laderantriebswelle nicht näher dargestellt sind. Die zweite Riemenscheibe 2 stellt folglich den Abtrieb der erfindungsgemäßen Kupplung dar.
Die eigentliche Kupplung ist in das modifizierte Gehäuse 3 der Kühlmittelpumpe integriert. In vorteilhafter Weise werden hierbei zahlreiche Einzelteile der eigentlichen Kühlmittelpumpe ohne Änderungen verwendet, insbesondere das Flügelrad 4, die Dichtung 5 und die Pumpenwelle mit der entsprechenden Lagerung 6. Am Gehäuse 3 der Kühlmittelpumpe ist zumindest ein Drehbolzen 8 abgestützt. Auf diesem Drehbolzen 8 ist im Innenraum des Pumpengehäuses 3 ein Fliehbacken 7 gelagert. In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführung dargestellt, bei der am Gehäuse 3 der Kühlmittelpumpe vier Drehbolzen 8 abgestützt sind. Folglich sind im Innenraum des Pumpengehäuses 3 auch vier Fliehbacken 7 gelagert, die das wesentliche Element der vorgeschlagenen Kupplung bilden.
Jeder Fliehbacken 7 wird als Verbindungselement zwischen den beiden Riemenscheiben 1 und 2 wirksam. Aus Platzgründen können die Fliehbacken 7 in Richtung der Achse des Drehbolzens 8 in zwei Abschnitte gegliedert sein. Der erste Abschnitt verläuft in der Kontur der ersten Riemenscheibe 1 und ist als Fliehgewicht ausgestaltet. Der zweite Abschnitt verläuft hingegen in der Kontur der zweiten Riemenscheibe 2 und ist als Reibbelagträger 9 ausgestaltet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass damit der Bauraum für die Gewichte voll ausgenutzt werden kann.
In dem als Fliehgewicht ausgestalteten Abschnitt des Fliehbackens 7 ist zumindest eine Druckfeder 10 oder 11 installiert, die zur Anpressung der Reibbeläge dient. Diese stützt sich an der Innenseitenfläche der ersten Riemenscheibe 1 ab, die als Antriebsscheibe wirksam wird. Vorzugsweise sind jeweils zwei Druckfedern 10 und 11 vorgesehen, die platzsparend ineinander gesteckt und in einer Bohrung des als Fliehgewicht ausgestalteten Abschnittes des Fliehbackens 7 versenkt sind. Somit ergibt sich eine Parallelschaltung derselben. Für die Anpassung der Federenden an die zylindrische Innenseitenfläche der ersten Riemenscheibe 1 ist ein Federkopf 12 vorgesehen.
Die vorgespannten Druckfedern 10 und 11 bewirken ein Drehmoment um den Drehbolzen 8. Dieses Drehmoment verursacht die notwendigen Kräfte auf den Reibbelag, um das geforderte Kupplungsmoment übertragen zu können. Die Höhe des übertragbaren Kupplungsmoments ist entscheidend davon abhängig, ob die drehbar gelagerten Fliehbacken 7 ablaufend oder auflaufend vorgesehen sind. Analog zur Wirkungsweise einer Trommelbremse verursachen auflaufende Fliehbacken 7 eine Selbstverstärkung der Anpreßkraft, während sich bei ablaufenden Fliehbacken 7 die Wirkung der Anpreßkraft vermindert. Für die Funktionsfähigkeit der angestrebten drehzahlabhängigen Kupplungscharakteristik sollten die Fliehbacken 7 ablaufend betrieben werden. Die in Fig. 1 gezeigte Kupplung dreht sich gegen den Uhrzeigersinn. Deshalb ist vorgesehen, dass sich die Fliehbacken 7 von ihrer Lagerung an der Achse des Drehbolzens 8 ausgehend jeweils in Drehrichtung der ersten Riemenscheibe 1 erstrecken.
Bei Stillstand der Kupplung wirkt die volle Kraft der Druckfedern 10 und 11 als Anpreßkraft auf die Reibpartner. Sobald sich die Kurbelwellendrehzahl erhöht, tritt auch an der ersten Riemenscheibe 1 und somit am Antrieb der Kupplung ein Drehzahlanstieg auf. Demzufolge nimmt der Einfluß der Zentrifugalkräfte an den als Fliehgewicht ausgestalteten Abschnitten der Fliehbacken 7 zu. Über die Hebelverhältnisse an den Drehbolzen 8 läßt sich aus der Summe der Zentrifugalkräfte und der Kraft der Druckfedern 10 und 11 die resultierende Kraft auf die Reibbeläge bestimmen und damit das drehzahlbezogene, übertragbare Kupplungsmoment. In Fig. 3 ist der degressive Verlauf dieses Moments beispielhaft dargestellt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass sich das übertragbare Kupplungsmoment "K" drehzahlabhängig an den Verlauf des benötigten Drehmomentes des mechanischen Laders "L" anpaßt.

Claims

1. Brennkraftmaschine mit kombinierter Aufladung unter Verwendung eines Abgasturboladers und eines mechanischen Laders, wobei zwischen der Kurbelwelle und dem mechanischen Lader eine mittels Fliehkraft betätigbare Kupplung angeordnet ist, mit der in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine der Kraftfluss zwischen Kurbelwelle und mechanischem Lader aufrechterhalten oder unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung einer Kühlmittelpumpe zugeordnet wird, die zwei Riemenscheiben aufweist, von denen die erste Riemenscheibe (1) über einen Riemen mit der Kurbelwelle und von denen die zweite Riemenscheibe (2) über einen Riemen mit der Antriebswelle des Laders in Wirkverbindung steht und wobei am Gehäuse (3) der Kühlmittelpumpe zumindest ein Drehbolzen (8) abgestützt ist, auf dem im Innenraum des Pumpengehäuses (3) ein, als Verbindungselement zwischen den beiden Riemenscheiben (1; 2) ausgestalteter Fliehbacken (7) gelagert ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Fliehbacken (7) von seiner Lagerung an der Achse des Drehbolzens (8) ausgehend in Drehrichtung der ersten Riemenscheibe (1) erstreckt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fliehbacken (7) in Richtung der Achse des Drehbolzens (8) in zwei Abschnitte gegliedert ist, wobei der erste Abschnitt in der Kontur der ersten Riemenscheibe (1) verläuft und als Fliehgewicht ausgestaltet ist und wobei der zweite Abschnitt in der Kontur der zweiten Riemenscheibe (2) verläuft und als Reibbelagträger (9) ausgestaltet ist.

4. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem als Fliehgewicht ausgestalteten Abschnitt des Fliehbackens (7) eine Bohrung zur Aufnahme von zumindest einer Druckfeder (10 oder 11) vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest einen Druckfeder (10 oder 11) ein Federkopf (12) zugeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bohrung zwei, ineinander gesteckte Druckfedern (10 und 11) angeordnet sind.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (3) der Kühlmittelpumpe vier Drehbolzen (8) abgestützt sind, auf denen im Innenraum des Pumpengehäuses (3) jeweils ein Fliehbacken (7) gelagert ist.