DE19924918A1 - Abgasturbolader mit Energiespeicher und Energierückführung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader (1), der eine Abgasturbine (2) und einen Ladeluftverdichter (3) umfaßt, der auf einer Welle (4) sitzt, die mit einer Antriebsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die Antriebsvorrichtung mindestens einen Hochtrieb (10) und mindestens eine schaltbare Kupplung (7) aufweist. Um eine verbesserte Drehmomentanhebung im unteren Drehzahlbereich sowie eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Antriebsvorrichtung einen Energiespeicher (6) zur Speicherung von Abgasenergie umfaßt, wobei der Welle (4) des Ladeluftverdichters (3) mittels der Antriebsvorrichtung gespeicherte Abgasenergie in Form von Bewegungsenergie variabel zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem Ladeluftverdichter, der auf einer Welle sitzt, die mit einer Antriebsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die Antriebsvorrichtung mindestens einen Hochtrieb und mindestens eine schaltbare Kupplung aufweist.

Eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Abgasturbolader ist aus der DE 44 29 855 C1 bekannt. Bei dieser Brennkraftmaschine ist zwischen einer Turboladerwelle und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eine Vorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers angeordnet. Die Vorrichtung umfaßt mindestens einen Hochtrieb und eine zwischen Kurbelwelle und Turboladerwelle angeordnete regelbare hydrodynamische Kupplung zur Drehmomentübertragung, wobei die hydrodynamische Kupplung durch eine mechanisch oder elektromechanisch schaltbare Kupplung überbrückbar und zwischen dem Hochtrieb und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader zu schaffen, der eine verbesserte Drehmomentanhebung im unteren Motordrehzahlbereich sowie eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antriebsvorrichtung desweiteren einen Energiespeicher zur Speicherung von Abgasenergie umfaßt, wobei der Welle des Ladeluftverdichters mittels der Antriebsvorrichtung gespeicherte Abgasenergie in Form von Bewegungsenergie variabel zuführbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Drehmomentanhebung im unteren Drehzahlbereich der betreffenden Brennkraftmaschine durch Nutzung überschüssiger Abgasenergie erfolgt, so daß sich eine entsprechende Kraftstoffeinsparung ergibt. Vorteilhaft ist dabei ferner die variable Zuschaltbarkeit der mit der Welle des Ladeluftverdichters koppelbaren Antriebsvorrichtung.

Der zur Speicherung von überschüssiger Abgasenergie vorgesehene Energiespeicher kann vorzugsweise als Schwungmasse, insbesondere als Schwungrad ausgebildet sein.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Energiespeicher ein pneumatischer oder hydraulischer Druckspeicher ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht auch nach einem längeren Stillstand der Brennkraftmaschine eine unmittelbare Drehmomentanhebung bei deren erneuter Inbetriebnahme.

Ist der Energiespeicher als pneumatischer Druckspeicher ausgebildet, so ist ihm nach einer weiteren Ausgestaltung vorzugsweise ein von der Welle des Ladeluftverdichters angetriebener Verdichter zugeordnet, der bei einer Entnahme von gespeicherter Abgasenergie aus dem Druckspeicher als pneumatischer Motor arbeitet. Die externe Antriebsvorrichtung des Abgasturboladers kann somit relativ kompakt ausgeführt werden.

Analog ist bei einer Ausführung des Energiespeichers in Form eines hydraulischen Druckspeichers diesem eine von der Welle des Ladeluftverdichters angetriebene Pumpe zugeordnet, die bei einer Entnahme von gespeicherter Abgasenergie aus dem Druck­ speicher als hydraulischer Motor arbeitet.

Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer Antriebsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.

Für gleiche Bauteile werden in den Figuren der Zeichnung jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers 1, der eine Abgasturbine 2 und einen Ladeluftverdichter 3 umfaßt. Die Abgasturbine 2 und der Ladeluftverdichter 3 sitzen auf einer gemeinsamen Turboladerwelle 4. Die Turboladerwelle 4 ist mit einer externen Antriebsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers 1 gekoppelt. Die Antriebsvorrichtung umfaßt bei diesem Ausführungsbeispiel einen Energiespeicher in Form eines Schwungrades 6, eine mittels einer schaltbaren Kupplung 7 mechanisch überbrückbare, regelbare hydrodynamische Kupplung 8, ein schaltbares, zweistufiges Wechselgetriebe 9 und einen mit der Turboladerwelle 4 gekoppelten Hochtrieb 10. Das schaltbare, zweistufige Wechselgetriebe 9 ist dabei zwischen der hydrodynamischen Kupplung 8 und dem Hochtrieb 10 angeordnet.

Die hydrodynamische Kupplung 8 bildet zusammen mit der schaltbaren mechanischen Kupplung 7 eine Kupplungseinheit, die zwischen dem schaltbaren, zweistufigen Wechselgetriebe 9 und dem Schwungrad 6 angeordnet ist. Je nach Betriebszustand ergibt sich im Schubbetrieb, Motorbremsbetrieb oder im oberen Vollastbetrieb der betreffenden Brennkraftmaschine eine mehr oder weniger große überschüssige Abgasturbinenleistung, die erfindungsgemäß über den Hochtrieb 10, das Wechselgetriebe 9 und die Kupplungseinheit dem Schwungrad als Energiespeicher zuführbar ist. Die gespeicherte Energie kann dann bei Bedarf beim Beschleunigen der Brennkraftmaschine zum Antrieb oder mechanischen Hochtrieb des Abgasturboladers 1 genutzt werden.

Die Kupplungseinheit ist so ausgebildet, daß die schaltbare mechanische Kupplung 7 unabhängig vom Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung 8 eine mit dem Schwungrad 6 verbundene Welle 11 und eine Eingangswelle 12 des Wechselgetriebes 9 sehr schnell zusammenkuppeln kann. Andererseits ist bei entleerter hydrodynamischer Kupplung 8 und bei eingerückter mechanischer Kupplung 7 die Verbindung zwischen Wechselgetriebe 9 und Schwungrad 6 durch Entkoppeln der mechanischen Kupplung 7 augenblicklich lösbar.

Das Wechselgetriebe 9 ist so ausgelegt, daß im ersten Gang eine hohe Drehzahl des Abgasturboladers 1 und damit ein relativ hoher Ladeluftdruck selbst bei niedrigen Drehzahlen des Schwungrades 6 erreichbar ist. Die Übersetzung des zweiten Ganges ist dagegen für höhere Drehzahlen des Schwungrades 6 ausgelegt. Mit 13 ist die Ausgangswelle des Wechselgetriebes bezeichnet.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers.

Der in Fig. 2 dargestellte Abgasturbolader unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 zunächst dadurch, daß die Abgasturbine 2 und der Ladeluftverdichter 3 nicht auf einer gemeinsamen Welle, sondern auf einer Turbinenwelle 4a bzw. auf einer davon getrennten Verdichterwelle 4b sitzen, die über eine schaltbare mechanische Kupplung 14, vorzugsweise eine Fliehkraftkupplung, miteinander verbindbar sind. Durch diese Ausgestaltung wird die Dynamik der mit der Verdichterwelle 4b gekoppelten Antriebsvorrichtung verbessert, da die Masse der Abgasturbine 2 durch die Antriebsvorrichtung nicht mitbeschleunigt werden muß. Bei steigender Motordrehzahl der Brennkraftmaschine nimmt der Abgasvolumenstrom zu, so daß die Abgasturbine 2 den Ladeluftverdichter 3 überholt und die Fliehkraftkupplung 14 bei einer vorgegebenen Drehzahl der Turbinenwelle 4a diese mit der Welle 4b des Ladeluftverdichters zusammenkuppelt.

Ferner unterscheidet sich das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel von demjenigen in Fig. 1 durch die Ausgestaltung des Energiespeichers, der hier als hydraulischer Druckspeicher 15 ausgeführt ist. Dem hydraulischen Druckspeicher ist zur Speicherung von überschüssiger Abgasenergie eine ein stufenlos verstellbares Verdrängervolumen aufweisende Hydropumpe 16 zugeordnet, die aus einem Reservoir 17 Hydraulikflüssigkeit in den hydraulischen Druckspeicher 15 fördert. Der Druckspeicher 15 kann durch ein Ventil (nicht gezeigt) abgesperrt werden.

Soll das Drehmoment der Brennkraftmaschine im unteren Drehzahlbereich angehoben werden, so wird im Druckspeicher 15 befindliche, unter hohem Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in das Reservoir 17 zurückgeleitet, wobei die Hydropumpe 16 nun als Hydromotor arbeitet und die Welle 4b des Ladeluftverdichters 3 über die Kupplungseinheit 7, 8, das Wechselgetriebe 9 und den Hochtrieb 10 mechanisch antreibt.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist auf der Turboladerwelle 4 ein schaltbarer Freilauf 18 angeordnet, der mit einem auf der Turboladerwelle 4 sitzenden Ritzel 19 des Hochtriebes 10 kombiniert ist. Bei nicht überbrücktem Freilauf 18 müssen die Massen des Hochtriebes 10 und der Kupplungseinheit 7, 8 durch den Abgasturbolader 1 nicht mitbeschleunigt werden, so daß sich bei nicht unterstütztem Antrieb durch die variabel zuschaltbare Antriebsvorrichtung die Dynamik des Abgasturboladers entsprechend erhöht.

Zur Speicherung überschüssiger Abgasenergie wird der schaltbare Freilauf 18 überbrückt, so daß eine Drehbewegung der Turboladerwelle 4 auf das Ritzel 19 und damit auf den Hoch­ trieb 10 der Antriebsvorrichtung übertragen wird.

Der Energiespeicher ist bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als pneumatischer Druckspeicher 20 ausgebildet, dem ein Verdichter 21 mit stufenlos verstellbaren Verdrängungsvolumen zugeordnet ist, welcher bei einer Entnahme von gespeicherter Abgasenergie aus dem Druckspeicher 20 als pneumatischer Motor arbeitet. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet die Antriebswelle des Hochtriebes 10.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl weiterer Varianten denkbar. So ist insbesondere ein Wechsel oder auch eine Kombination der verschiedenen Energiespeicher 6, 15 und 20 mit gegebenenfalls zugeordneter Pumpe 16 bzw. zugeordnetem Verdichter 21 möglich. Ferner kann die variabel zuschaltbare exteme Antriebsvorrichtung gemäß Fig. 3 ebenfalls mit einem schaltbaren, zweistufigen Wechselgetriebe 9 ausgestattet werden.

Claims (9)

1. Abgasturbolader mit einer Abgasturbine (2) und einem Ladeluftverdichter (3), der auf einer Welle (4, 4b) sitzt, die mit einer Antriebsvorrichtung zur Leistungsübertragung zwecks mechanischer Hochtriebsmöglichkeit des Abgasturboladers gekoppelt oder koppelbar ist, wobei die Antriebsvorrichtung mindestens einen Hochtrieb (10) und mindestens eine schaltbare Kupplung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung desweiteren einen Energiespeicher (6, 15, 20) zur Speicherung von Abgasenergie umfaßt, wobei der Welle (4, 4b) des Ladeluftverdichters (3) mittels der Antriebsvorrichtung gespeicherte Abgasenergie in Form von Bewegungsenergie variabel zuführbar ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als Schwungmasse (6) ausgebildet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als pneumatischer oder hydraulischer Druckspeicher (15; 20) ausgebildet ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem pneumatischen Druckspeicher (20) ein von der Welle (4) des Ladeluftverdichters (3) angetriebener Verdichter (21) zugeordnet ist, der bei einer Entnahme von gespeicherter Abgasenergie aus dem Druckspeicher (20) als pneumatischer Motor arbeitet.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem hydraulischen Druckspeicher (15) eine von der Welle (4b) des Ladeluftverdichters (3) angetriebene Pumpe (16) zugeordnet ist, die bei einer Entnahme von gespeicherter Abgasenergie aus dem Druckspeicher (15) als hydraulischer Motor arbeitet.

6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Kupplung (7) mit einer regelbaren hydrodynamischen Kupplung (8) kombiniert ist, derart, daß die hydrodynamische Kupplung (8) mittels der schaltbaren Kupplung (7) mechanisch oder elektromechanisch überbrückbar ist.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung ein schaltbares, zweistufiges Wechselgetriebe (9) aufweist.

8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftverdichter (3) und die Abgasturbine (2) auf getrennten Wellen (4a, 4b) sitzen, die durch eine schaltbare Kupplung (14) miteinander verbindbar sind.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (4) des Ladeluftverdichters (3) auch die Abgasturbine (2) sitzt und die Antriebsvorrichtung über einen schaltbaren Freilauf (18) mit der Welle (4) verbindbar ist.