DE202019004407U1 - Device for the combined electromechanical and exhaust gas pressure charging of internal combustion engines - Google Patents
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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
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
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der
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 (
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