DE202019004407U1

DE202019004407U1 - Device for the combined electromechanical and exhaust gas pressure charging of internal combustion engines

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Publication number: DE202019004407U1
Application number: DE202019004407.8U
Authority: DE
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Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2029-10-26

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 (5) Verbindung mit einer Drehwelle (4) eines Elektromotors (6) verbunden ist.Device for pressure charging internal combustion engines by increasing the air volume by means of compression in engines with internal fuel combustion, characterized in that the air compression takes place before the inlet into the combustion chamber and by a compressor (2) and an exhaust gas turbine (1) which are mechanically connected to one another ( 3), and that this compressor exhaust gas turbine unit is connected to a rotary shaft (4) of an electric motor (6) via a separable, non-positive connection (5).

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Druckaufladung von Verbrennungsmaschinen, die das Problem des verzögerten Ansprechverhaltens solcher druckaufgeladenen Verbrennungsmaschinen löst.The present invention describes a device for pressure charging internal combustion engines, which solves the problem of delayed response of such pressure-charged internal combustion engines.

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.Exhaust gas-charged internal combustion engines are widely used in stationary and mobile applications. Exhaust gas charging typically works with an exhaust gas turbine, which drives a compressor wheel via a rigid connection, which fills the combustion chamber with increased air pressure (exhaust gas turbocharger). As a result, the air throughput is increased or the suction work of the piston is reduced and causes an increase in the torque and the power output.

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.The exhaust gas turbine generates a back pressure in the exhaust tract, which prevents the exhaust gas from flowing out. As a result, the exhaust gas charge only takes effect at higher speeds at which there is a sufficient exhaust gas flow. Furthermore, exhaust-gas-charged engines have a delayed response ("turbo lag"), since the combustion must first take place before the exhaust gas turbine can drive the compressor and thus increase the air throughput.

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.Mechanical charging, which is often based on the principle of the gear pump or works as a screw compressor, offers an alternative to the charging of internal combustion engines driven by exhaust gases. Due to the lack of forced lubrication, such a compressor is generally susceptible to overheating. Furthermore, the mechanical drive of the internal combustion engine robs performance, which is particularly noticeable at increased engine speeds.

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.The disadvantages listed above are countered in different ways according to the prior art. On the one hand, variable turbine geometries ensure active adjustment of the flow cross section of the exhaust gas turbine by means of adjustable guide blades in the turbine area. In this way, the flow velocity of the exhaust gas flow and thus the turbine speed can be regulated and the application area of the exhaust gas turbocharger can be expanded within a limited range. To achieve this, there are adjustable, non-rotating guide vanes in the turbine inlet or in the turbine housing. The angle of attack of the guide vanes is regulated in such a way that with low gas throughput but high power requirements, the exhaust gas is accelerated by reduced flow cross sections and directed to the turbine blades, which increases the speed of the turbine and thus the performance of the compressor. Conversely, with high gas throughput and lower power requirements, the flow rate can be reduced by large cross sections, which reduces the performance of the charger. Multi-stage turbochargers are also used, in which either several exhaust gas turbochargers are combined and, in frequent versions, are connected in parallel, sequentially or in series. In this context, the cascaded use of a mechanical compressor and an exhaust gas turbocharger is also known.

Eine weitere bekannte Methode, die Leistung eines abgasaufgeladenen Verbrennungsmotors bei niedrigen Drehzahlen zu steigern verwendet einen Druckluftspeichertank, der die Abgasturbine antreibt und so eine Verdichtung der Verbrennungsluft bei niedrigen Drehzahlen erreicht. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist die weitestgehende Drehzahlunabhängigkeit der Verdichtung bei niedrigen Drehzahlen. Allerdings muss der Druckluftspeichertank vor dem Leistungsabruf gefüllt sein und seine Wirkung steht nur kurzzeitig zur Verfügung.Another known method of increasing the performance of an exhaust gas-charged internal combustion engine at low speeds uses a compressed air storage tank which drives the exhaust gas turbine and thus achieves compression of the combustion air at low speeds. An advantage of this embodiment is that the compression is largely independent of the speed at low speeds. However, the compressed air storage tank must be filled before the service call and its effect is only available for a short time.

Die Schrift DE202014001845U1 beschreibt eine Lösung der oben aufgeführten Probleme durch die Integration einer mechanischen und einer Abgasaufladung in einem gemeinsamen Bauteil. Hierbei ist die Verdichterwelle über eine lösbare kraftschlüssige Verbindung mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Bei niedrigen Drehzahlen arbeitet der Verdichter im Wesentlichen rein mechanisch, während er bei hohen Drehzahlen vom Motortrieb entkoppelt und durch die Abgasturbine angetrieben wird. Obwohl diese Ausführung das eingangs geschilderte Problem in zufriedenstellender Weise löst, ist sie restriktiv hinsichtlich der relativen Anordnung zur Kurbelwelle bzw. zur mit der Kurbelwelle in direkter mechanischer Verbindungen stehenden Elemente, die in wesentlichen parallel erfolgen muss.The font DE202014001845U1 describes a solution to the problems listed above by integrating mechanical and exhaust gas charging in a common component. Here, the compressor shaft is connected to the crankshaft of the internal combustion engine via a releasable non-positive connection. At low speeds, the compressor works essentially purely mechanically, while at high speeds it is decoupled from the engine drive and driven by the exhaust gas turbine. Although this embodiment satisfactorily solves the problem described at the outset, it is restrictive with regard to the arrangement relative to the crankshaft or to the elements that are in direct mechanical connection with the crankshaft, which must be essentially parallel.

Die im Anspruch 1 angegebene Erfindung löst die oben aufgeführten Probleme, insbesondere das Problem des verzögerten Ansprechens eines Abgasturboladers sowie die mögliche Einschränkungen hinsichtlich der räumlichen Anordnung, durch die Integration einer elektrisch angetriebenen mechanischen und einer Abgasaufladung in einem Bauteil, wobei die Verdichterwelle eines Abgasturboladers wahlweise durch einen Elektromotor oder mittels einer Abgasturbine angetrieben wird oder antreibbar ist.The invention specified in claim 1 solves the problems listed above, in particular the problem of delayed response of an exhaust gas turbocharger and the possible restrictions with regard to the spatial arrangement, through the integration of an electrically driven mechanical and an exhaust gas charge in one component, the compressor shaft of an exhaust gas turbocharger optionally by an electric motor or driven by an exhaust gas turbine or is drivable.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der 1 erläutert. Dieses besteht in Analogie zum Abgasturbolader (101) 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 eine mechanische Verbindnung (4) mit einem Elektromotor (6) in der Art gekoppelt, dass der Abgasturbolader direkt durch diesen Elektromotor 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 (5), 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 elektromechanisch direkt durch den Elektromotor 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 elektromechanische 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. Treten schnelle Gaswechselreaktionen, wie z.B. beim plötzlichen Beschleunigen in Kraftfahrzeugen, auf, wird der elektromechanische Kraftschluss wieder hegestellt und der Abgasturbolader wird direkt über den Elektromotor angetrieben bis ein ausreichender Abgasstrom bereitsteht. Hierdurch wird das Problem des verzögerten Ansprechens des Abgasturboladers bei plötzlichen Gaswechseln gelöst.An embodiment of the invention is based on the 1 explained. This is analogous to the exhaust gas turbocharger ( 101 ) from an exhaust gas turbine ( 1 ) over a common wave ( 3 ) with a compressor wheel ( 1 ) connected is. The exhaust gas turbine is driven by the combustion exhaust gases of an internal combustion engine, the compressor presses air into the combustion chambers of the engine with increased pressure Engine. The common shaft of the exhaust gas turbine and the compressor wheel is connected via a mechanical connection ( 4 ) with an electric motor ( 6 ) coupled in such a way that the exhaust gas turbocharger can be driven directly by this electric motor. To take advantage of both operating modes, this mechanical connection is not rigid, but the mechanical part is a passively or actively controlled, detachable connection ( 5 ), in a preferred embodiment by means of a clutch or a freewheel, connected to the exhaust gas turbocharger. At low speeds, at which the exhaust gas charging does not work efficiently, the exhaust gas turbocharger is driven electromechanically directly by the electric motor. This results in an increase in the boost pressure from idle speed, the delayed response of the exhaust gas turbocharger is avoided. Furthermore, the combustion chamber is emptied more quickly due to the resulting negative pressure due to the forced drive of the exhaust gas turbine, which is now operating in suction mode. The invention according to claim 1 and dependent claims therefore works at low speeds as a combined pressure charging of the intake tract and vacuum discharge of the exhaust tract. With increasing engine speed, the exhaust gas flow increases and, above a certain threshold, drives the exhaust gas turbine faster than the electromechanical drive. This is decoupled from the exhaust gas turbine when the threshold is reached, the supercharging now works according to the conventional principle of the exhaust gas turbocharger. In a preferred embodiment, the decoupling can either be done purely mechanically by means of a freewheel or, in a further preferred embodiment of the invention, can be achieved via an electronically controlled, releasable and non-positive coupling. If rapid gas exchange reactions occur, such as when suddenly accelerating in motor vehicles, the electromechanical frictional connection is restored and the exhaust gas turbocharger is driven directly by the electric motor until a sufficient exhaust gas flow is available. This solves the problem of the delayed response of the exhaust gas turbocharger in the event of sudden gas changes.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verfügt der elektromechanische Antrieb des Ladersystems über ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor und Lader, bevorzugt dessen zentraler Achse. Das variable Übersetzungsverhältnis kann in einer bevorzugten Ausgestaltung über ein Zahnradgetriebe erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, the electromechanical drive of the charger system has a variable transmission ratio between the electric motor and the charger, preferably its central axis. In a preferred embodiment, the variable transmission ratio can be achieved via a gear transmission.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Steuerung der lösbaren mechanischen Verbindung (5) zwischen Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) und Elektromotor (6) so ausgelegt, dass die Verbindung im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors kraftschlüssig bleibt und der Elektromotor (6) durch die Verdichter-Abgasturbineneinheit (101) angetrieben wird und somit als Generator, der in einer bevorzugten Ausführungsform einen Stromspeicher speisen kann, agiert. Hierdurch wird zum Einen eine teilweise Energierückgewinnung erreicht, zum Anderen gegen die Trägheit des Verdichterrades und der Abgasturbine gearbeitet, so dass eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Verbrennungsmotors bei Lastwechselreaktionen erreicht wird.In a further preferred embodiment, the control of the releasable mechanical connection ( 5 ) between the compressor exhaust turbine unit ( 101 ) and electric motor ( 6 ) designed so that the connection remains non-positive when the internal combustion engine is coasting and the electric motor ( 6 ) by the compressor exhaust turbine unit ( 101 ) is driven and thus acts as a generator, which in a preferred embodiment can feed a power store. On the one hand, this results in partial energy recovery, and on the other hand works against the inertia of the compressor wheel and the exhaust gas turbine, so that an improvement in the response behavior of the internal combustion engine during load change reactions is achieved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 202014001845 U1 [0007]

Claims

Device for pressure charging internal combustion engines by increasing the amount of air by means of compression in engines with internal fuel combustion, characterized in that the air compression takes place before the inlet into the combustion chamber and by a compressor (2) and an exhaust gas turbine (1) which are mechanically connected to one another ( 3), and that this compressor exhaust gas turbine unit is connected to a rotary shaft (4) of an electric motor (6) via a separable, non-positive connection (5).

Device after Claim 1 , characterized in that the separable, non-positive connection (5) between the compressor exhaust gas turbine unit (101) and the rotary shaft of the electric motor (6) is designed as a mechanical freewheel.

Device according to claims 1 and 2, characterized in that the characteristic of the freewheel is controlled electronically.

Device after Claim 1 , characterized in that the separable, non-positive connection between the compressor exhaust gas turbine unit (101) and the rotary shaft of the electric motor (6) is designed as a releasable coupling which in the closed state establishes a non-positive connection, while in the open state it provides a complete mechanical decoupling between the electric motor (6) and compressor exhaust gas turbine unit (101) enables and creates a frictional connection in the partially open state.

Device after Claim 1 , characterized in that the mechanical connection (4) between the compressor exhaust gas turbine unit (101) and the rotary shaft of the electric motor (6) has a speed adjustment.

Device according to claims 1 and 5, characterized in that the translation of the speed adjustment is designed to be variable.

Device according to claims 1 and 7, characterized in that the variable speed adjustment takes place via a gear transmission (7).

Device according to claims 1 and 7, characterized in that the variable speed adjustment takes place continuously.

Device according to claims 1 and 9, characterized in that the stepless, variable speed adjustment has at least one bevel shaft.

Device after Claim 1 , characterized in that the separable, non-positive connection (5) is arranged between the rotary shaft of the electric motor (6) and the unit for speed adjustment (7) ( 2 ).

Device after Claim 1 , characterized in that the separable, non-positive connection (5) between the compressor exhaust gas turbine unit (101) and the electric motor (6) can be controlled or is controlled such that the electric motor is driven by the compressor exhaust gas turbine unit (101) and thus works as a power generator ,