DE202014001845U1

DE202014001845U1 - Vorrichtung zur Druckaufladung von Verbrennungsmaschinen

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Publication number: DE202014001845U1
Application number: DE202014001845.6U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2014-04-01
Anticipated expiration: 2024-02-26

Abstract

Vorrichtung zur Druckaufladung von Verbrennungsmaschinen durch Erhöhung der Luftmenge mittels Verdichtung in Motoren mit innerer Kraftstoffverbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverdichtung vor dem Einlass in den Brennraum geschieht und durch einen Verdichter (2) und eine Abgasturbine (1), die mechanisch miteinander verbunden sind (3), erreicht wird und dass diese Verdichter-Abgasturbineneinheit über eine trennbare, kraftschlüssige (4) Verbindung (6) mit einer Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) verbunden ist.

Description

Abgasaufgeladene Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung haben eine große Verbreitung in stationären und mobilen Anwendungen. Die Abgasaufladung arbeitet typischerweise mit einer Abgasturbine, die über eine starre Verbindung ein Verdichterrad antreibt, das den Brennraum mit erhöhtem Luftdruck befüllt (Abgasturbolader). Hierdurch wird der Luftdurchsatz erhöht oder die Ansaugarbeit des Kolbens wird verringert und bewirkt eine Steigerung des Drehmoments und der Leistungsabgabe.
Durch die Abgasturbine wird im Abgastrakt ein Gegendruck erzeugt, der das Abströmen des Abgases verhindert. Dadurch wirkt die Abgasaufladung erst ab erhöhten Drehzahlen, bei denen ein ausreichender Abgasstrom anliegt. Weiterhin weisen abgasaufgeladene Motoren ein verzögertes Ansprechverhalten auf („Turboloch”), da zunächst die Verbrennung erfolgen muss, bevor die Abgasturbine den Verdichter antreiben kann und so den Luftdurchsatz erhöht.
Eine Alternative zur durch Abgase angetriebenen Aufladung von Verbrennungsmotoren bietet die mechanische Aufladung, die häufig auf dem Prinzip der Zahnradpumpe basiert bzw. als Schraubverdichter arbeitet. Durch fehlende Zwangsschmierung ist ein solcher Kompressor generell anfällig gegen Überhitzung. Weiterhin raubt der mechanische Antrieb der Verbrennungsmaschine Leistung, was sich insbesondere bei erhöhten Motordrehzahlen bemerkbar macht.
Den oben aufgeführten Nachteilen wird nach Stand der Technik auf unterschiedliche Arten begegnet. Zum einen sorgen variable Turbinengeometrien für eine aktive Anpassung des Strömungsquerschnitts der Abgasturbine durch verstellbare Leitschaufeln im Turbinenbereich. Hierdurch lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms und damit die Turbinendrehzahl regulieren und der Einsatzbereich des Abgasturboladers in einem begrenzten Bereich erweitern. Um das zu erreichen, befinden sich verstellbare, nicht rotierende Leitschaufeln im Turbineneintritt oder im Turbinengehäuse. Die Anstellwinkel der Leitschaufeln werden dabei so geregelt, dass bei wenig Gasdurchsatz aber hohem Leistungsbedarf, das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte beschleunigt und auf die Turbinenschaufeln geleitet wird, was die Drehzahl der Turbine und somit die Leistung des Verdichters erhöht. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz und geringerem Leistungsbedarf durch große Querschnitte die Strömungsgeschwindigkeit verringert werden, was die Leistung des Laders vermindert. Weiterhin finden mehrstufige Aufladungen Anwendung, bei denen entweder mehrere Abgasturbolader kombiniert werden und in häufigen Ausführungen parallel, sequenziell oder in Reihe geschaltet werden. In diesem Zusammenhang ist auch die kaskadierte Verwendung eines mechanischen Verdichters und eines Abgasturboladers bekannt.
Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung löst die oben aufgeführten Probleme, insbesondere das Problem des verzögerten Ansprechens eines Abgasturboladers, durch die Integration einer mechanischen und einer Abgasaufladung in einem Bauteil. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 und 2 erläutert. Dieses besteht in Analogie zum Abgasturbolader aus einer Abgasturbine (1) die über eine gemeinsame Welle (3) mit einem Verdichterrad (1) verbunden ist. Die Abgasturbine wird von den Verbrennungsabgasen eines Verbrennungsmotors angetrieben, der Verdichter presst Luft mit erhöhtem Druck in die Brennräume des Motors. Die gemeinsame Welle von Abgasturbine und Verdichterrad ist über einen mechanischen Antrieb (6) mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (8) verbunden, so dass der Abgasturbolader direkt durch den Motor angetrieben werden kann. Zur Nutzung der Vorteile beider Betriebsarten ist diese mechanische Verbindung nicht starr ausgeführt, sondern der mechanische Teil ist über eine passiv oder aktiv gesteuerte, lösbare Verbindung (4), in einer bevorzugten Ausführung mittels einer Kupplung oder eines Freilaufs, mit dem Abgasturbolader verbunden. Bei niedrigen Drehzahlen, bei denen die Abgasaufladung nicht effizient arbeitet, wird der Abgasturbolader direkt durch den Verbrennungsmotor angetrieben. Hierdurch ergibt sich eine Erhöhung des Ladedrucks bereits ab Leerlaufdrehzahl, das verzögerte Ansprechen des Abgasturboladers wird umgangen. Weiterhin werden durch den Zwangsantrieb der Abgasturbine, die jetzt im Saugbetrieb arbeitet, die Brennräume durch den entstehenden Unterdruck schneller geleert. Die Erfindung nach Anspruch 1 und abhängigen Unteransprüchen arbeitet demnach bei niedrigen Drehzahlen als kombinierte Druckaufladung des Ansaugtrakts und Unterdruckentleerung des Abgastrakts. Bei steigender Drehzahl steigt der Abgasstrom und treibt ab einer bestimmten Schwelle die Abgasturbine schneller an, als der mechanische Antrieb. Dieser wird beim Erreichen der genannten Schwelle von der Abgasturbine abgekoppelt, die Aufladung arbeitet nun nach dem konventionellen Prinzip des Abgasturboladers. Die Abkopplung kann hierbei in einer bevorzugten Ausführung entweder rein mechanisch durch einen Freilauf erfolgen oder in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über eine elektronisch geregelte, lösbare und kraftschlüssige Kupplung erreicht werden. Nach Abkopplung des mechanischen Antriebs arbeitet dieser lastfrei und verursacht somit kaum Leistungsverluste des Motors. Treten schnelle Gaswechselreaktionen, wie z. B. beim plötzlichen Beschleunigen in Kraftfahrzeugen, auf, wird der mechanische Kraftschluss wieder hegestellt und der Abgasturbolader wird direkt über den Motor angetrieben bis ein ausreichender Abgasstrom bereitsteht. Hierdurch wird das Problem des verzögerten Ansprechens des Abgasturboladers bei plötzlichen Gaswechseln gelöst.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verfügt der mechanische Antrieb des Ladersystems über ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen Motorelement, bevorzugt Kurbelwelle, und Lader, bevorzugt dessen zentraler Achse. Das variable Übersetzungsverhältnis kann in einer bevorzugten Ausgestaltung über ein Zahnradgetriebe erreicht werden.

Claims

Vorrichtung zur Druckaufladung von Verbrennungsmaschinen durch Erhöhung der Luftmenge mittels Verdichtung in Motoren mit innerer Kraftstoffverbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftverdichtung vor dem Einlass in den Brennraum geschieht und durch einen Verdichter (2) und eine Abgasturbine (1), die mechanisch miteinander verbunden sind (3), erreicht wird und dass diese Verdichter-Abgasturbineneinheit über eine trennbare, kraftschlüssige (4) Verbindung (6) mit einer Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die trennbare, kraftschlüssige Verbindung (4) zwischen Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) und Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) als mechanischer Freilauf ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des Freilaufs elektronisch geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die trennbare, kraftschlüssige Verbindung zwischen Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) und Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) als lösbare Kupplung ausgeführt ist, die in geschlossenem Zustand eine kraftschlüssige Verbindung herstellt, während sie in geöffnetem Zustand eine vollständige mechanische Entkopplung zwischen Verbrennungsmaschine (8) und Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) ermöglicht und im teilgeöffnetem Zustand eine reibschlüssige Verbindung herstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung (6) zwischen Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) und Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) über eine Drehzahlanpassung verfügt.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlanpassung mit einer Übersetzung durch Riemenscheiben mit unterschiedlichem Durchmesser (5), (7) ausgeführt ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung der Drehzahlanpassung variabel ausgestaltet ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drehzahlanpassung über ein Zahnradgetriebe erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die trennbare, kraftschlüssige Verbindung (4A) zwischen der Drehwelle der Verbrennungsmaschine (8) und der Einheit zur Drehzahlanpassung (5), (6), (7) angeordnet ist (2).