DE2206450A1

DE2206450A1 - Verbrennungsmotor mit einem abgasturbolader

Info

Publication number: DE2206450A1
Application number: DE2206450A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl Ing Gwinner; Dag-Harald Dip Huettebraeucker; Konstantin Dr Ing Pattas; Arnulf Dipl Ing Schneider
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1973-08-16
Also published as: JPS4891415A; GB1396082A

Description

Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader

Die Erfindung bezieht sich auf eiasn durch Aufladung für optimales Betriebsverbalten eingerichteten Verbrennungsmotor, insbesondere auf einen Dieselmotor«, für Fahrzeugantrieb vorwiegend konstanter Leistung mit einem Abgasturbolader, bestehend aus einer Abgasturbine and einem Verdichter, die mit einander irerbunden und zusätzlich zum Abgasantrieb von einem weiteren Antrieb antreibbar sind.

Zweck der Erfindung ist es, die Aufladung eines Verbrennungsmotors auch im Leerlauf sicherzustellen und im gesamten Drehazahlbereich dwrcli die Aufladung optimale Verhältnisse' zu schaffen.

Es sind bereits Verbrennungsmotoren mit Aufladeaggregaten zur Verbesserung der Aufladung las Leerlauf bekannt, die aus einer Abgasturbine und einem Verdrängungslader bestehen, welche durch einen Föttinger-Wexxdler miteinander verbunden sind. Bei diesen Aufladeaggregaten wird zusätzlich zu dem durch die Abgasturbine durchgeführten Antrieb des Verdrängerladers eine der Motordrehzahl proportionale und unabhängige, zwischen Verdrängerlader und Motor angeordnete Verbindung vorgesehen, deren Übersetzungsverhältnis verändert werden kann.

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Mit einem derartigen mechanisch über Keilriemenscheiben, Wellen und/oder Zahnräder sowie mit Freiläufen oder Fliehkraftkupplungen arbeitenden, zusätzlichen Antrieb läßt sich nur sehr träge eine Beschleunigung des Aufladeaggrsgates erreichen, da der Antrieb selbst vom verhältnismäßig langsam anlaufenden Motor abhängig ist. Beim Dieselmotor eines Personenkraftfahrzeugs beispielsweise dauert es beim Gasgeben mit normaler Aufladung durch einen Abgasturbolader zwei bis drei Sekunden, bis der Ladedruck erreicht wird. Diese Zeit läßt sich durch ein vom Motor selbst angetriebenes Aufladeaggregat nur in geringem Maße verkürzen. Außerdem bringen Strömungsmaschinen nur bei höherer Drehazhl den notwendigen Luftdurchsatz. Der mechanische Antrieb ist außerdem laut und schwerfällig; insbesondere kann der Verdichter mit einem Zahnradgetriebe nur auf eine mäßige Drehazhl gebracht werden. Im übrigen sind Freiläufe und sonstige Kupplungen sehr störanfällig.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen,Antrieb zu erstellen, der wenig aufwendig ist, leicht geregelt werden kann und über den gesamten Drehzahlbereich eine möglichst gleichbleibende Leistung des Motors sicherstellt.

Diese Aufgaben sollen prinzipiell dadurch gelöst werden, daß der Abgasturbolader mit Frendenergie über den gesamten Drehzahlbereich des Motors auf ein vorbestimmteε Drehmomentverhalten gebracht und dieses aufrechterhalten wird. Diese Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, daß der zusätzliche Antrieb ein regelbarer Elektromotor ist, der die Drehzahl des Turboladers im ganzen Motorkennfeld des Verbrennungsmotors konstant hält. Dadurch soll sich für den Verbrennungsmotor ein Drehmomentenverlauf ergeben, der je nach Ladercharakteristik bei niedriger Motordreheahl höher ist als bei hoher Motordrehzahl. Das bedeutet, daß eine nahezu konstante Leistung über den gesamten Drehzahlbereich sichergestellt

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Zum Antrieb des Turboladers soll in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein hochtouriger Elektromotor mit einer Tourenzahl zwischen 60 000 und 80 000 Umdrehungen in der Minute verwendet werden, der entweder seitlich von der Achse des Turboladers, in ihrer Verlängerung oder auf der Achse selbst zwischen dem Verdichter und der Turbine angeordnet sein kann, wobei in letzterem Falle die Verbindungsachse zwischen Turbinen- und Verdichterrad zugleich den Anker des Elektromotors bildet.

Weiterhin kann der Elektromotor seine vorbestimmte hohe Drehzahl durch eine elektronische Steuerung in kurzer Zeit erreichen und aufrechterhalten, wobei die Steuerung den Elektromotor bei Leistungsüberschuß an der Turbine als Generator schaltet.

Dieser Leistungsüberschuß wird vorwiegend bei hohen Drehzahlen und hohem Drehmoment vorhanden sein. Je nach Fahrzeuggröße und statistisch ermitteltem Lastkollektiv wird die Energiebilanz des Unterstützungssystems bei Motor- oder Generatorbetrieb negativ oder positiv sein. So sind beim Nutzfahrzeug die Punkte hoher Drehzahl und hohen Momentes häufiger als beim Personenkraftwagen; die Energiebilanz beim Personenkraftwagen wird daher im allgemeinen negativ und beim Lastkraftwagen positiv sein.

Der Elektromotor selbst soll von einem elektrischen Speicher, z.B. der Fahrzeugbatterie, angetrieben werden, die gegenüber den üblichen in ein Kraftfahrzeug eingesetzten Ausführungen eine größere Kapazität aufweisen soll. Dementsprechend soll auch die Lichtmaschine eine größere als die sonst übliche Leistung aufweisen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung in der folgenden Beschreibung näher erläutert, der auch weitere Einzelheiten der Erfindung entnommen werden können.

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Es zeigen:

Fxg. ι ein Diagramm rait dem Drehmoment als Funktion der f'otc:rd.fehzahl van versckiejenen Motorentypen,

Fig, 2 in schema ti scher Darstellung einen Abgasturbolader, der aus Verdichter -und Turbine i"±t dazwischengeschalttäter Achse hsü'te'bt _s ^ie "^:-on einem Elektromotor angetrieben wird- und den Ye rl aiii* der angesaugten I.-uxt über Verdic lter _f Zylinder "'lid 'Turbine ,

Fig.. j die Leistung eines Abgasturbolader-* in .'. ähäiigig-'■"axt von der Motoi drehzahl..-.

Die l''ig ■. 1 zeigt i.u tier" '-^.ryi a die ⁷..\^s:-eh.n:o!^eii^^ir"i^r3 iiiei ü'vlr.^hen Kaupoiürs» kisr ;\iz.s x?x fe.'."L'-.*mi'b.är. LaB ca B LLrJhi;^jfl.ei-c bei eteigönaer Motordx'ehsalil '..;!« :;ra ;:.?:.5ΐ liaxi^jum l-=r.;,3am Jiunifflrnt uxid dann :>.::, "^:.hnlicliär '^^i. ,z vx.iiar i-biiiis^

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In Fig. 2 ist außerdem noch dargestellt, wie die vom Verdichter angesaugte Luft gemäß der Pfeile 5» 6 über den Verdichter 1 zum Zylinder 7 gefördert und von dort über die Abgasleitung gemäß der Pfeile 8 und 9 und über die Turbine 3 ins Freie befördert wird.

Die Drehzahl des Elektromotors wird durch eine elektronische Steuerung eingestellt, die so arbeitet, daß bei mangelnder Energie in den Abgasen im unteren Drehzahl- und Lastbereich der Elektromotor eine hohe Leistung abgeben muß (Bereich 11 in Fig. 3)1 während bei Überschuß in den Abgasen der Elektromotor als Generator geschaltet wird und demgemäß noch Strom in die Batterie abgibt, von der er sonst angetrieben wird (Bereich 12 in Fig. 3).

Der Elektromotor soll vorzugsweise eine Drehzahl von 6O 000 bis 80 000 U/min haben. Die Verwendung eines solchen Elektromotors bringt den Vorteil mit sicli, daß dieser ohne Zwischenschaltung eines Getriebes direkt mit dem Abgasturbolader gekoppelt werden kann. Andererseits kann durch entsprechende elektronische Steuerung der Elektromotor k auch als Generator betrieben werden.

In Fig. 2 ist die Anordnung des Motors integriert zwischen Verdichter und Turbine dargestellt. Dieser Motor kann aber auch seitlich vom Lader oder in der Verlängerung der Achse angeordnet sein.

Die elektronische Steuerung für den Elektromotor wird so ausgelegt, daß auch im Dauerbetrieb die Energiebilanz des elektrischen Speichers ausgeglichen ist. Durch entsprechende Auslegung der Abgasturbine und Steuerung des Umschaltpunktes von Motor- auf Generatorbetrieb kann in Abhängigkeit von dem Energieinhalt der Abgase der Batterieinhalt etwa auf gleicher Höhe gehalten und in jedem Falle eine vollständige

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Entleerung der Batterie vermieden werden. Unter Umständen kann es jedoch bei entsprechendem Einsatz des Fahrzeugs erforderlich werden, daß die Batterie aus dem Netz aufgeladen werden muß.

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Claims

Ansprüche

1») Durch Aufladung für optimales Betriebsverhalten eingerichteter Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, für Fahrzeugantrieb -irorwisgeaid koxistaant-er Leistung mit einem Abgasturbolader, bestelle:»«! aas eimer Abgasturbine und einem Verdichter ₅ äie !miteinander "^erblinden und zusätzlich zum Abgasantrieb von einesa weiteren Antrieb antreibbar sind, iäaehirefc gekeasnzeicSanet, daß der zusätzliche Antrieb eis sregeibarer Elektromotor C4) ist, der die Drehzahl des Turfeoladers {1 - J) iiai ganzen Motorkennfeld konstant hält·
2. Verbrennungsmotor nach Amsprsaeih I₀ c3adurcSa g- >e2saze ieb net, daß ein hociitonrigsr Eiektarcinotoir C%) alt eimer Tourenzahl von 60 000 bis £-0 COO U/aaisi -yeirtieHielet
3» Verbrennungsmotor Each Ainspriicfc i ©des* 2, dadurcSi ge kennzeichnet, daß äea~ Slekiroinoyer C%) seitlich 7 der Achse des Turb-oladers Ci = 3^ asigeoardsiet ist
4« Verbrennungsmotor nach AnsprusSn 1 oder 2, dadmrcb ge kennzeichnet, daß eier Elelttrssaotor C^i¹ ί-B Verläsu der Achse des Turboiaders Ci « 3) asagsos-dsast ist
5« Verbrennungsmotor siac'Ii /jasprsacfc 1 ©der 2, dadTar-cfe ge kennzeichnet, daß dear ElektroEJotor C 45 auf dies' die Turbine (*!) mit dera Verdienter Cl) Bec-Iiaaiseh veThlni denden Achse (2) zwischen <äem Vordiclater Cl) mad desr Turbine (3) angeordnet IsIb₉. indesi die ifeirlb achse (2) zugleich den Ληϊεβζ· dies Ε1οϊε·&2*©Ε bildet.

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6. Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 - 5t dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (4) seine Drehzahl durch eine elektronische Steuerung konstant hält, die den Elektromotor (4) bei Leistungsüberschuß in den Abgasen außerdem als Generator schaltet.
7. Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (4) von einem elektrischen Speicher, beispielsweise der Fahrzeugbatterie, antreibbar ist.
8. Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe mit einer gegenüber üblichen Ausführungen größeren Batterie und größeren Lichtmaschine ausgerüstet ist.

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