DE10290840B4

DE10290840B4 - Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10290840B4
Application number: DE10290840T
Authority: DE
Inventors: Jürgen Friedrich; Peter Heilinger; Kai Kamossa
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: JP2004522896A; DE10290840D2; US6886337B2; US20040068986A1; WO2002070877A1; KR20030077032A; JP4022471B2

Abstract

Arbeitsverfahren einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, wobei die Antriebseinheit die folgenden Bauteile umfasst:
1.1 einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Kurbelwelle (7);
1.2 eine Abgasleitung (1.1);
1.3 eine von der Abgasleitung (1.1) beaufschlagbare, dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschaltete Abgasturbine (3) zum Übertragen eines positiven Drehmomentes zur Kurbelwelle (7) im Traktionsbetrieb;
1.4 eine zwischen die Abgasturbine (3) und die Kurbelwelle (7) mit beiden in Triebverbindung geschaltete hydrodynamische Einheit (4) mit frei drehbaren Schaufelrädern (4.1, 4.2), die einen torusförmigen Arbeitsraum miteinander bildet;
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
1.5 im Traktionsbetrieb arbeitet die hydrodynamische Einheit (4) als hydrodynamische Kupplung;
1.6 im Bremsbetrieb wird eines der Schaufelräder (4.1, 4.2) der hydrodynamischen Einheit (4) mittels einer Feststellbremse (4.5) stillgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, umfassend einen Verbrennungsmotor.

DE 195 16 971 beschreibt eine Antriebseinheit mit einem Verbrennungsmotor in Turbocompoundausführung. Bei dieser Einheit ist eine Turbine vorgesehen, welcher beim Traktionsbetrieb Abgas aus dem Verbrennungsmotor zugeleitet wird, um die Turbine anzutreiben. Die Turbine steht über eine hydrodynamische Kupplung mit der Kurbelwelle in Triebverbindung. Auf diese Weise ist es möglich, die im Abgas noch vorhandene Restenergie auszunutzen.

Bei der genannten Antriebseinheit ist der Turbine eine weitere Abgasleitung nachgeschaltet. In dieser Abgasleitung ist eine Abgasklappe vorgesehen. Beim Übergang vom Traktionsbetrieb zum Bremsbetrieb wird die Abgasklappe geschlossen. Hierdurch baut sich hinter der Turbine ein Abgasdruck auf, der bei Erreichen eines gewissen Wertes zu einem Öffnen der Abgasklappe führt.

DE 37 28 681 C2 und DE 39 04 399 A1 beschreiben ebenfalls Antriebseinheiten mit Einrichtungen zum Rückgewinnen von Abgasenergie.

Antriebseinheiten dieser Art haben zwar den Vorteil, daß die im Abgas enthaltene Restwärme – gegebenenfalls nach Durchlaufen eines Abgasturboladers – ausgenutzt wird. Jedoch tragen sie beim Bremsbetrieb zum Bremsen nicht unmittelbar bei. Die genannte Abgasklappe übt die übliche, an sich bekannte Funktion als Abgas-Bremsdrosselung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinheit der genannten Art derart zu gestalten, daß nicht nur die im Abgas enthaltene Restenergie beim Traktionsbetrieb ausgenutzt wird, sondern auch derart, daß die Antriebseinheit beim Bremsbetrieb zum Bremsen beiträgt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß wird die hydrodynamische Einheit mit den beiden Schaufelrädern in besonderer Weise gestaltet. Die beiden Schaufelräder sind nämlich derart gestaltet und angeordnet, daß sie als Rotoren arbeiten können. Dabei ist ihr Aufbau grundsätzlich der gleiche wie derjenige von Schaufelrädern einer hydrodynamischen Kupplung oder eines Retarders. Der Unterschied zu einer hydrodynamischen Kupplung beziehungsweise zu einem Retarder besteht jedoch darin, daß der eine der beiden Rotoren gegen Verdrehen feststellbar oder fixierbar ist. Die beiden Rotoren sind in einem Gehäuse angeordnet. Der Arbeitsraum ist mit einem fließfähigen Medium gefüllt, beispielsweise mit Wasser oder mit Öl. Zum Feststellen des einen der beiden Rotoren kann jegliche Art von Feststelleinrichtung dienen, beispielsweise eine Lamellenkupplung.

Eine solche Antriebseinheit arbeitet wie folgt:
Im Traktionsbetrieb, das heißt wenn der Motor unter Last umläuft, laufen beide Rotoren der hydrodynamischen Einheit um, da keiner der Rotoren drehfest gemacht ist. Der eine Rotor wird von der Turbine angetrieben, und er treibt seinerseits den anderen Rotor an, der somit Drehmoment an den Antriebsstrang liefert. Die hydrodynamische Einheit arbeitet somit als ganz gewöhnliche hydrodynamische Kupplung. Sie hat demgemäß deren Vorzüge, nämlich sanftes Anfahren, das weitgehend frei von Drehmomentstößen ist. Dies gilt nicht nur beim Anfahren, sondern auch während des gesamten Traktionsbetriebes. Belastungsspitzen werden auf diese Weise abgepuffert.

Geht das Fahrzeug vom Traktionsbetrieb zum Bremsbetrieb über, so wird einer der beiden Rotoren stillgesetzt, so daß kein Drehmoment mehr auf den Antriebsstrang übertragen wird. Stattdessen wird dem Antriebsstrang Drehmoment entzogen. Dabei wird jener Rotor stillgesetzt, der sich auf der der Turbine zugewandten Seite der hydrodynamischen Einheit befindet (Primärrad).

Alternativ zum Stillsetzen (Abbremsen) des einen Rotors sind auch andere Maßnahmen denkbar, die in das Arbeiten der hydrodynamischen Einheit eingreifen und zu einer Unterbrechung des Drehmomentenflusses führen.

Am besten wird das Primärrad mittels einer Feststellbremse abgebremst, beispielsweise einer Lamellenkupplung.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt in schematischer Darstellung eine Antriebseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Antriebseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.
3 zeigt eine Antriebseinheit, bei der die einzelnen Bauteile etwas konkreter dargestellt sind.
Die in 1 schematisch dargestellte Antriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform umfaßt eine Abgasturbine 3. Diese wird vom Abgasstrom eines hier nicht gezeigten Motors beaufschlagt. Die Abgasturbine 3 ist wohlgemerkt nicht Bestandteil eines Abgasturboladers. Ein Abgasturbolader kann der genannten Abgasturbine 3 vorgeschaltet sein.
Man erkennt ferner eine hydrodynamische Einheit 4. Diese weist ein Primärschaufelrad 4.1 und ein Sekundärschaufelrad 4.2 auf. Die beiden Schaufelräder sind so gestaltet, wie die Schaufelräder einer hydrodynamischen Kupplung oder einer hydrodynamischen Bremse. Jedoch sind beide Schaufelräder grundsätzlich frei drehbar. Dem Primärrad 4.1 ist eine Feststellbremse 4.5 zugeordnet. Hiermit läßt sich das Primärrad 4.1 feststellen.
Wie man sieht, steht die Abgasturbine 3 mit dem Primärschaufelrad in mechanischer Triebverbindung, und zwar über eine Antriebswelle 3.1, einen ersten Zahnräderzug 5 sowie eine Antriebswelle 4.1.1.
Das Sekundärschaufelrad 4.2 ist mit einer weiteren Antriebswelle 4.2.1 drehfest verbunden. Diese arbeitet auf einen zweiten Zahnräderzug 6, der wiederum mit einer Welle 7 in Triebverbindung steht. Die Welle 7 kann auf die Kurbelwelle arbeiten oder einen anderen Energieverbraucher beaufschlagen, beispielsweise ein Lüfterrad.
Bei normaler Fahrt, wenn der Motor unter Last umläuft, wird Abgas der Abgasturbine 3 zugeführt. Die Feststellbremse 4.5 ist außer Funktion, so daß die beiden Räder 4.1, 4.2 frei umlaufen können. Die Abgasturbine 3 wird vom Abgasstrom beaufschlagt, so daß sie Drehmoment erzeugt, das dem Primärrad 4.1 zugeführt wird und dieses in Umlauf setzt. Durch die im Arbeitsraum der hydrodynamischen Einheit 4 enthaltene Arbeitsflüssigkeit wird Drehmoment auf das Sekundärrad 4.2 übertragen, und von dort auf die Kurbelwelle 7 beziehungsweise zu einem anderen Energieverbraucher.
Beim Bremsbetrieb fällt ohnehin nur ein geringer Abgasstrom an. Dieser wird umgeleitet, so daß er nicht die Turbine 3 beaufschlagt. Die Feststellbremse 4.5 wird betätigt, so daß Primärrad 4.1 festgesetzt wird. Damit wird die hydrodynamische Einheit 4 zum Retarder. Steht die Welle 7 in Triebverbindung mit der Kurbelwelle, so trägt die dargestellte Vorrichtung zum Bremsen bei.
Die in 2 dargestellte Antriebseinheit der zweiten Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Antriebseinheit erster Ausführungsform. Jedoch umfaßt die hydrodynamische Einheit 4 eine hydrodynamische Bremse 4.1, 4.2 (Retarder), und eine hydrodynamische Kupplung 4.3, 4.4.
Schaufelrad 4.1 des Retarders bildet dabei den Stator, und Schaufelrad 4.2 den Rotor.
Die beiden Räder 4.3, 4.4 der Kupplung sind frei drehbar. Die Räder 4.2 des Retarders und 4.3 der Kupplung sind drehfest miteinander verbunden, so daß sie gemeinsam umlaufen. Sie können sogar als ein einziges Gußteil ausgeführt sein.
Im übrigen sind bei der Antriebseinheit zweiter Ausführungsform dieselben oder gleichartige Elemente vorhanden wie bei der Antriebseinheit erster Ausführungsform, ausgenommen die Feststellbremse 4.5 der ersten Ausführungsform, die bei der zweiten Ausführungsform fehlt.
Die Antriebseinheit zweiter Ausführungsform arbeitet wie folgt: Beim Traktionsbetrieb ist der Arbeitsraum des Retarders 4.1, 4.2 leer, während der Arbeitsraum der Kupplung 4.3, 4.4 mit einem Arbeitsmedium – im allgemeinen einem Öl- gefüllt ist.
Die Abgasturbine 3 wird mit einem Abgasstrom aus dem hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor beaufschlagt. Die Abgasturbine 3 treibt über die Welle 3.1 den ersten Zahnräderzug 5 sowie die Welle 4.1.1 das Primärrad 4.4 der Kupplung an. Dieses überträgt Drehmoment auf die Tandemeinheit, gebildet aus dem Sekundärrad 4.3 der Kupplung und dem Rad 4.2 des Retarders. Diese beiden Räder sind drehfest miteinander verbunden und bilden eine sogenannte Rücken-an-Rücken-Einheit. Von dort aus wird Drehmoment weiter übertragen über die Weile 4.2.1 und den zweiten Zahnräderzug 6 auf die Kurbelwelle 7.
Beim Bremsbetrieb wird der Arbeitsraum des Retarders 4.1, 4.2 gefüllt. Der Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung 4.3, 4.4 bleibt weiterhin gefüllt. Aufgrund der Füllung übt der Retarder 4.1, 4.2 seine Bremsfunktion aus. Die Abgasturbine 3 erzeugt nunmehr in der Abgasleitung einen Gegendruck, der in die Zylinderräume gelangt und die Bremswirkung der gesamten Einheit verstärkt.
3 zeigt eine Antriebseinheit. Diese umfaßt einen Verbrennungsmotor 1. An den Verbrennungsmotor 1 ist eine Haupt-Abgasleitung 1.1 angeschlossen. Diese führt Abgas einem Abgasturbolader 2 zu, und zwar dessen Turbinenteil 2.1. Die vom Turbinenteil 2.1 ausströmenden Abgase gelangen durch eine zweite Abgasleitung 1.2 zu einer weiteren Abgasturbine 3.
Man erkennt eine hydrodynamische Einheit 4. Diese umfaßt ein Primärrad 4.1 und ein Sekundärrad 4.2. Das Primärrad 4.1 steht mit der weiteren Abgasturbine 3 in Triebverbindung, und zwar über einen ersten Zahnräderzug 5, das einen Hochgang darstellt. Das Sekundärrad 4.2 steht über einen zweiten Zahnräderzug 6 mit der Kurbelwelle 7 in Triebverbindung.
Die beiden Schaufelräder 4.1, 4.2 sind drehbar gelagert und somit grundsätzlisch als Rotoren konzipiert. Sie weisen die üblichen Schaufeln einer hydrodynamischen Kupplung oder einer hydrodynamischen Bremse (Retarder) auf. Die Schaufeln sind mit ihren freien Kanten einander zugewandt. Schaufelrad 4.1 wirkt als Primärteil, und Schaufelrad 4.2 als Sekundärteil. Schaufelrad 4.1 ist durch eine mechanische Feststelleinrichtung arretierbar, beispielsweise durch eine Lamellenkupplung.
Die Antriebseinheit umfaßt natürlich weitere Bauteile wie beispielsweise eine Kühleinrichtung und einen Lüfter, die aber hier nur schematisch angedeutet sind. Die Ansaugluft ist mit einem weißen Pfeil angedeutet, die Abgase hingegen mit schwarzen Pfeilen.
Läuft der Motor 1 bei Traktionsbetrieb unter Last um, so beaufschlagen die in Haupt-Abgasleitung 1.1 geführten Abgase den Turbinenteil 2.1 des Abgasturboladers 2. Der Kompressorteil 2.2 des Abgasturboladers 2 verdichtet in bekannter Weise die angesaugte Verbrennungsluft.
Die Abgase treten sodann in die zweite Abgasleitung 1.2 ein und beaufschlagen das Turbinenrad der weiteren Abgasturbine 3. Die weitere Abgasturbine 3 treibt über den ersten Zahnräderzug 5 das Primärrad 4.1 der hydrodynamischen Einheit 4 an. Sodann wird Drehmoment auf das Sekundärrad 4.2 übertragen, und zwar mittels der im Arbeitsraum der hydrodynamischen Einheit enthaltenen Arbeitsflüs sigkeit. Das Sekundärrad 4.2 gibt dieses Drehmoment weiter an die Kurbelwelle 7 beziehungsweise an eine andere Bedarfsstelle innerhalb der Antriebseinheit. Die Abgase verlassen schließlich durch eine dritte Abgasleitung 1.3 die Antriebseinheit.
Beim Bremsbetrieb läuft der Motor im Leerlauf, bei dem Abgase nur in geringer Menge anfallen. Die weitere Abgasturbine 3 wird somit nur in geringem Maße beaufschlagt. Dabei ist es wünschenswert, daß sie überhaupt nicht beaufschlagt wird und somit auch keine Antriebsenergie in den Antriebsstrang einleitet. Deswegen ist es zweckmäßig, den beim Bremsen anfallenden geringen Abgasstrom auch noch umzuleiten, so daß er die weitere Abgasturbine 3 nicht beaufschlagen kann.
Die entscheidende Maßnahme besteht jedoch darin, das Primärrad auf die oben erwähnte Weise festzusetzen, somit durch eine irgendwie geartete mechanische Bremse. Nunmehr wirkt das Primärrad 4.1 als Stator-Schaufelrad. Damit wirkt die hydrodynamische Einheit als Retarder, so daß keine Antriebsenergie in den Antriebsstrang gelangt, sondern im Gegenteil Energie dem Antriebsstrang entnommen wird, so daß ein Beitrag zur Bremsarbeit geleistet wird.
Die Schaufelräder der hydrodynamischen Einheit – gegebenenfalls aus Retarder und Kupplung aufgebaut – können gegen die Drehachse der hydrodynamischen Einheit geneigt angeordnet sein, somit nicht parallel zu dieser.
Es versteht sich, daß statt der genannten Zahnräder auch andere Kraftübertragungseinheiten wie Kettentriebe verwendet werden können.

1: Motor
1.1: Haupt-Abgasleitung
1.2: zweite Abgasleitung
1.3: dritte Abgasleitung
2: Abgasturbolader
2.1: Turbinenteil des Abgasturboladers
2.2: Kompressorteil des Abgasturboladers
3: Abgasturbine
4: hydrodynamische Einheit
5: erster Zahnräderzug
6: zweiter Zahnräderzug
7: Kurbelwelle
10: Feststellbremse

Claims

Arbeitsverfahren einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, wobei die Antriebseinheit die folgenden Bauteile umfasst: 1.1 einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Kurbelwelle (7); 1.2 eine Abgasleitung (1.1); 1.3 eine von der Abgasleitung (1.1) beaufschlagbare, dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschaltete Abgasturbine (3) zum Übertragen eines positiven Drehmomentes zur Kurbelwelle (7) im Traktionsbetrieb; 1.4 eine zwischen die Abgasturbine (3) und die Kurbelwelle (7) mit beiden in Triebverbindung geschaltete hydrodynamische Einheit (4) mit frei drehbaren Schaufelrädern (4.1, 4.2), die einen torusförmigen Arbeitsraum miteinander bildet; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 1.5 im Traktionsbetrieb arbeitet die hydrodynamische Einheit (4) als hydrodynamische Kupplung; 1.6 im Bremsbetrieb wird eines der Schaufelräder (4.1, 4.2) der hydrodynamischen Einheit (4) mittels einer Feststellbremse (4.5) stillgesetzt.
Arbeitsverfahren einer Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Schaufelräder (4.1, 4.2) im Bremsbetrieb mittels einer Lamellenkupplung abgebremst wird.
Antriebseinheit eines Fahrzeugs, umfassend die folgenden Bauteile: 3.1 einen Verbrennungsmotor (1) mit einer Kurbelwelle (7); 3.2 eine Abgasleitung (1.1); 3.3 eine von der Abgasleitung (1.1) beaufschlagbare, dem Verbrennungsmotor (1) nachgeschaltete Abgasturbine (3) zum Übertragen eines positiven Drehmomentes zur Kurbelwelle (7) im Traktionsbetrieb; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 3.4 zwischen die Abgasturbine (3) und die Kurbelwelle (7) ist eine mit beiden in Triebverbindung stehende hydrodynamische Einheit (4) mit einer hydrodynamischen Kupplung (4.3, 4.4) sowie mit einer hydrodynamischen Bremse (4.1, 4.2) geschaltet; 3.5 die hydrodynamische Kupplung (4.3, 4.4) und die hydrodynamische Bremse (4.1, 4.2) sind koaxial zueinander angeordnet; 3.6 das Sekundärrad (4.3) der hydrodynamischen Kupplung sowie der Rotor (4.2) der hydrodynamischen Bremse sind in einer Rücken-an-Rücken-Anordnung drehfest miteinander verbunden; 3.7 der Arbeitsraum der hydrodynamischen Bremse (4.1, 4.2) ist füll- und entleerbar.
Antriebseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bypassleitung zum Umleiten des in der Abgasleitung (1.1) geführten Abgasstromes um die Abgasturbine (3) herum vorgesehen ist.
Arbeitsverfahren einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend die folgenden Schritte: 5.1 es wird ein Sensor vorgesehen, der den Betriebszustand des Motors (1) erfaßt und ein entsprechendes Signal an eine zentrale Prozeßeinheit liefert; 5.2 es wird eine Stelleinrichtung zum Fixieren des Primärrades (4.1) vorgesehen.
Arbeitsverfahren einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs, die gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4 ausgebildet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: 6.1 im Traktionsbetrieb arbeitet die Antriebseinheit mit entleertem Arbeitsraum der hydrodynamischen Bremse (4.1, 4.2) und mit gefülltem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung (4.3, 4.4); 6.2 im Bremsbetrieb arbeitet die Antriebseinheit mit gefülltem Arbeitsraum der hydrodynamischen Bremse (4.1, 4.2) und mit gefülltem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung (4.3, 4.4).