DE2912950A1 - IC engine with exhaust driven turbocharger - has rotary weight connectable via clutch to turbocharger rotor, under control signal, with rotary weight contained in evacuated casing - Google Patents

IC engine with exhaust driven turbocharger - has rotary weight connectable via clutch to turbocharger rotor, under control signal, with rotary weight contained in evacuated casing

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Abstract

A rotary mass is connected to the turbocharger rotor by a clutch under control of a signal, which determines the connection alternately by a slip clutch or the disconnection of the two rotary masses. The rotary mass is pref. running in a casing which is partly evacuated, or automatically evacuatable. The clutch is of magnetic powder type, or it may be an electromagnetic, hydraulic or pneumatic friction clutch. AN induction slip clutch with direct current energising (slipringless) may be used. Typically the rotary mass is formed by an electric machine rotor, or is coupled to such a rotor. A second exhaust gas turbine may be used and the exhaust gas flow may be diverted to this turbine by setting elements. The arrangement permits variable load and speed running system for the combustion engine and permits low-load or idle run without detrimental effects.

Description

Verbrennungsmotor mit AbgasturboladerCombustion engine with exhaust gas turbocharger

Erfindungsgegenstand ist ein Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader, wie er als Antrieb für Fahrzeuge aller Art oder Stromaggregate oder Arbeitsmaschinen Verwendung findet.The subject of the invention is an internal combustion engine with exhaust gas turbocharger, as it is used as a drive for vehicles of all kinds or power units or work machines Is used.

In den zahlreichen Fällen, in denen der Verbrennungsmotor mit wechselnden Last- oder Drehzahl stufen betrieben wird, ist es problematisch, daß beim Übergang von einer geringen Last- und/oder Drehzahlstufe zu einer höheren Stufe der Abgasturbolader in der Regel langsamer beschleunigt als der Verbrennungsmotor. Dadurch entsteht vorübergehend ein stark abgesenkter Ladedruck. Es steht deshalb zum Beschleunigen nicht die volle Motorleistung, die der jeweiligen Drehzahl entsprechen würde, zur Verfügung. Oft wird dieser behinderte Beschleunigungsvorgang noch von einem Rußstoß begleitet, wenn die Einspritzmenge im Falle eines Dieselmotors nicht dem vorübergehend abgeschwächten Ladedruck genügend genau angepaßt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Mängel durch Anordnung einer Schwungmasse zu beseitigen, wobei diese Schwungmasse je nach Steuersignal mit dem Rotor des Abgasturboladers gekoppelt ist oder nur über eine sogenannte schleifende, d. h. mit Schlupf betriebene Kupplung mit ihm verbunden wird oder von ihm getrennt ist. Es kann damit bei Betriebszuständen, denen eine hohe Drehzahl des Abgasturboladers zugeordnet ist, aus der dann oft teilweise überschüssigen Abgasenergie über die dann geschlossen oder schleifend betriebene Kupplung Energie in die Schwungmasse eingespeichert werden. Wenn dann z.B. bei einem Schaltvorgang eines Fahrzeuggetriebes der Motor kurzzeitig ohne Last betrieben wird, so kann durch die Betriebsweise mit geschlossen er oder auch schleifender Schwungmassen-Kupplung der Rotor des Abgasturboladers daran gehindert werden, in der Drehzahl stark abzusinken, indem kinetische Energie zu seiner Stützung herangezogen wird.In the numerous cases where the internal combustion engine is changing with Load or speed steps is operated, it is problematic that the transition from a low load and / or speed level to a higher level of the exhaust gas turbocharger usually accelerates more slowly than the internal combustion engine. This creates temporarily a greatly reduced boost pressure. It is therefore about accelerating not the full engine power that would correspond to the respective speed Disposal. This hindered acceleration process is often caused by a soot puff accompanies when the injection quantity in the case of a diesel engine is not the temporary weakened boost pressure is adjusted sufficiently precisely. The object of the invention is it to eliminate these deficiencies by arranging a flywheel, this flywheel Depending on the control signal, it is coupled to the rotor of the exhaust gas turbocharger or only via a so-called grinding, d. H. with slip operated clutch connected to it becomes or is separated from him. It can therefore be used in operating states that have a high speed of the exhaust gas turbocharger is assigned, from which then often partially excess Exhaust energy via the clutch, which is then closed or slipping are stored in the flywheel. If then, for example, during a switching process of a vehicle transmission, the engine is operated briefly without load, so can through the operating mode with closed he or the dragging flywheel clutch the rotor of the exhaust gas turbocharger are prevented from dropping sharply in speed, by using kinetic energy to support it.

Wenn in einem anderen Beispiel die Schwungmasse auf hoher Drehzahl ist und anschließend das Fahrzeug zum Stillstand abgebremst wird, um kurze Zeit später wieder aus geringer Motordrehzahl heraus zu beschleunigen, so kann durch Betrieb mit zunächst schleifender Schwungmassen-llupplung der Abgasturbolader gesteuert so stark beschleunigt werden, wie es der ieweiligen Motordrehzahl zugeordnet dem normalen Betriebszustand entspricht; oder es kann die Beschleunigung auch erheblich größer gewählt werden, so daß vorübergehend während des Beschleunigungsvorganges des Fahrzeugs der Motor höher als im stationären Betrieb aufgeladen wird, um die Beschleunigungszeit abzukürzen.If in another example the flywheel is at high speed and then the vehicle is braked to a standstill for a short time to accelerate again later from a low engine speed, so can through Operation controlled with initially dragging flywheel clutch of the exhaust gas turbocharger be accelerated as much as it is assigned to the respective engine speed corresponds to normal operating condition; or it can speed up considerably too be chosen larger, so that temporarily during the acceleration process of the vehicle, the engine is charged higher than in stationary operation Shorten the acceleration time.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gehäuse, in dem die Schwungmasse läuft, soweit evakuiert, wie es mit mäßigem technischen Aufwand möglich ist. Dadurch wird die Luftreibung der Schwungmasse herabgesetzt, und es ist die Energiespeicherung über einen ausgedehnteren Zeitraum möglich.In one embodiment of the invention, the housing in which the The flywheel runs, as far as evacuated, as possible with moderate technical effort is. This reduces the air friction of the flywheel, and it is the Energy storage possible over a longer period of time.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schwungmasse koaxial zur Welle des Abgasturboladers angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Bauweise der gesamten Baugruppe erreicht.In a further embodiment of the invention, the flywheel is arranged coaxially to the shaft of the exhaust gas turbocharger. This creates a compact design of the entire assembly.

In Ausgestaltung der obengenannten Erfindung kann die Kupplung als Magnetpulverkupplung ausgebildet werden oder als elektromagnetisch oder hydraulisch oder pneumatisch betätigte Reibkupplung oder als hydrodynamische Kupplung mit steuerbarer Füllmenge oder als Induktions-Schlupfkupplung mit vorzugsweise schleifringloser Gleichstromerregung. In allen genannten Fällen ist die Kupplungsbetätigung steuerbar, so daß die vom Betriebszustand abhängige, jeweils optimale Kupplungsbetätigung eingestellt werden kann.In an embodiment of the above invention, the coupling can be used as Magnetic particle clutch are designed or as electromagnetic or hydraulic or pneumatically operated friction clutch or as hydrodynamic Coupling with controllable filling quantity or as an induction slip clutch with preferably DC excitation without slip rings. In all cases mentioned, the clutch is actuated controllable, so that the optimum clutch actuation depending on the operating state can be adjusted.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Schwungmasse als Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen, oder es ist die Schwungmasse mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden. Damit wird erreicht, daß in Zeiten des Leistungsüberschusses im Abgasstrom Energie der Abgasturbine zur Ladung des elektrischen Akkumulators der Anlage verwendet werden kann. Umgekehrt ist es damit möglich, die Schwungmasse in Zeitintervallen, in denen die Kupplung gelöst ist, elektromotorisch so zu beschleunigen, daß für ein bevorstehendes Beschleunigungsmanöver genügend kinetische Energie in der Schwungmasse gespeichert ist. Außerdem kann damit auch während längerer Zeitintervalle, in denen die Kupplung gelöst ist, die Schwungmasse auf ausreichend hoher Speicherdrehzahl gehalten werden.As a further embodiment of the invention, the flywheel is used as a rotor an electrical machine is provided, or it is the flywheel with the rotor connected to an electrical machine. This ensures that in times of excess power in the exhaust gas flow, energy from the exhaust gas turbine to charge the electrical accumulator the system can be used. Conversely, it is possible to use the flywheel to accelerate with an electric motor in time intervals in which the clutch is released, that there is enough kinetic energy in the flywheel is stored. In addition, it can also be used during longer time intervals, in which the clutch is released, the flywheel at a sufficiently high storage speed being held.

Ferner ist eine Ausgestaltung der Erfindung in der Art vorgesehen, daß die Schwungmasse auf der Seite ihres freien Wellenendes mit einer gesonderten zweiten Abgasturbine verbunden ist, wobei Stellglieder die Aufteilung des Abgasstromes wahlweise auf diese Turbine oder auf beide gleichzeitig gestatten. Damit wird erreicht, daß im Zustand getrennter Kupplung die Schwungmasse auf ausreichend hoher Drehzahl gehalten oder sogar beschleunigt werden kann, um sie für anschließende Beschleunigungsmanöver zum Beschleunigen des Abgasturboladers einsetzen zu können.Furthermore, an embodiment of the invention is provided in the manner that the flywheel on the side of its free shaft end with a separate second exhaust gas turbine is connected, with actuators dividing the exhaust gas flow either on this turbine or on both at the same time. This achieves that in the state of the disconnected clutch, the flywheel mass is at a sufficiently high speed can be held or even accelerated in order to use them for subsequent acceleration maneuvers to be able to use to accelerate the exhaust gas turbocharger.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Verbrennungsmotor mit einer Verstellvorrichtung ausgestattet, die die Verschiebung der Steuerzeiten der Auslaßorgane gestattet. Es kann sich z. B. um eine Vorrichtung handeln, die eine Relativdrehung der Nockenwelle gegenüber dem Nockenwellen-Antrieb erlaubt. Damit ist es z. B. möglich, zur Vorbereitung eines forciert durchzuführenden Beschleunigungsvorganges die Auslaßsteuerzeiten vorübergehend vorzuverlegen, um dadurch die im Abgasstrom enthaltene Leistung steigern und dementsprechend die in der Schwungmasse gespeicherte Energie erhöhen zu können.In a further embodiment of the invention is the internal combustion engine equipped with an adjustment device, the the shift the timing of the outlet organs. It can e.g. B. a device act that a relative rotation of the camshaft with respect to the camshaft drive permitted. So it is z. B. possible to prepare a forced to be carried out Acceleration process to bring the exhaust valve timing forward temporarily to thereby increasing the power contained in the exhaust gas flow and, accordingly, the in to be able to increase the energy stored in the flywheel.

Beispiele für die Ausgestaltung der Erfindung sind in den vier Zeichnungen enthalten: Figur 1 zeigt die Anordnung eines Verbrennungsmotors mit Abgasturbolader, der durch die erfindungsgemäße Schwungmasse ergänzt ist.Examples of the embodiment of the invention are shown in the four drawings included: Figure 1 shows the arrangement of an internal combustion engine with exhaust gas turbocharger, which is supplemented by the flywheel according to the invention.

Figur 2 stellt eine koaxiale Anordnung der Schwungmasse innerhalb des Abgasturboladergehäuses dar.Figure 2 shows a coaxial arrangement of the flywheel within of the exhaust gas turbocharger housing.

Figur 3 zeigt eine Ausführung der zum Abgasturbolader gehörigen Schwungmasse als Rotor einer elektrischen Maschine.Figure 3 shows an embodiment of the flywheel associated with the exhaust gas turbocharger as the rotor of an electrical machine.

Figur 4 ist im Vergleich zu Figur 1 erweitert um eine zweite Abgasturbine, die mit der Schwungmasse unmittelbar verbunden ist.In comparison to FIG. 1, FIG. 4 has been expanded to include a second exhaust gas turbine, which is directly connected to the flywheel.

Der in Figur 1 dargestellte Verbrennungsmotor 1 wird in bekannter Weise durch den Verdichter 2 eines Abgasturboladers aufgeladen, wobei der Verdichter durch die Abgasturbine 3 angetrieben wird. Erfindungsgemäß kann die Welle des Abgasturboladers aber über eine schaltbare Kupplung 6 mit der Schwungmasse 4 verbunden werden. Es kann die Kupplungsfunktion nicht nur entsprechend den Betriebsweisen "Kupplung geschlossen" oder "Kupplung getrennt betrieben werden, sondern es sind auch gesteuerte Betriebsweisen mit beliebigem Schlupf möglich. Die Füllung im Falle der hydrodynamischen Kupplung oder die Erregung im Falle der Magnetpulverkupplung oder der elektromagnetisch betriebenen Reibkupplung oder der Induktions-Schlupfkupplung kann entsprechend gesteuert werden. Auch eine pneumatische Betätigung der Reibkupplung mit gesteuertem Schlupf ist möglich.The internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is known in the art Way charged by the compressor 2 of an exhaust gas turbocharger, the compressor is driven by the exhaust gas turbine 3. According to the invention, the shaft of the exhaust gas turbocharger but can be connected to the flywheel 4 via a switchable coupling 6. It cannot use the clutch function only according to the operating modes "Clutch closed" or "Clutch operated separately, but rather there are Controlled modes of operation with any slip are also possible. The filling in the case the hydrodynamic coupling or the excitation in the case of the magnetic particle coupling or the electromagnetically operated friction clutch or the induction slip clutch can be controlled accordingly. Also pneumatic actuation of the friction clutch with controlled slip is possible.

Das Schwungmassengehäuse 5 kann in einer Ausgestaltung der Erfindung so gasdicht ausgeführt werden, daß es durch zusätzliche Vakuum-Pumpen oder durch selbsttätig wirkende Evakuierungs-Effekte der Schwungmasse 4 hinreichend evakuiert werden kann, um die Luftreibung der Schwungmasse gering zu halten.The flywheel housing 5 can in one embodiment of the invention so gas-tight that it can be achieved by additional vacuum pumps or by automatically acting evacuation effects of the flywheel 4 sufficiently evacuated can be to keep the air friction of the flywheel low.

Figur 2 zeigt eine Anordnung der Schwungmasse 4 zwischen dem Läufer 3.1 der Abgasturbine und dem Verdichterrad 2.1 Die koaxiale Anordnung der Schwungmasse setzt eine entsprechende Gestaltung des Gehäuses des Abgasturboladers 5 voraus. Es wird damit der Vorteil einer geringen Baulänge erzielt. Die hydrodynamische Kupplung 6, die hier als Beispiel dargestellt ist, wird über die Füllbohrung 7 mit Öl versorgt, das z. B. dem Schmierölkreislauf des Motors entnommen werden kann. Bei gesteuertem Öl zufluß stellt sich die Füllmenge der Kupplung als Gleichgewichtszustand ein zwischen Ölabfluß durch die Entleerbohrung 8 und Zufluß durch die Versorgungsbohrung 7. Damit kann das Kupplungsmoment gesteuert werden.Figure 2 shows an arrangement of the flywheel 4 between the rotor 3.1 the exhaust gas turbine and the compressor wheel 2.1 The coaxial arrangement of the flywheel requires a corresponding design of the housing of the exhaust gas turbocharger 5. The advantage of a short overall length is thus achieved. The hydrodynamic coupling 6, which is shown here as an example, is supplied with oil via the filling hole 7, the Z. B. can be taken from the engine's lubricating oil circuit. With controlled Oil inflow sets the filling quantity of the clutch as a state of equilibrium between Oil drainage through the drain hole 8 and inflow through the supply hole 7. So that the clutch torque can be controlled.

Die Ausbildung der Schwungmasse in Figur 3 als Rotor einer Elektromaschine und die entsprechende Gestaltung des Schwungmassengehäuses als Stator der Elektromaschine erlauben, daß bei hoher Drehzahl des Abgasturboladers, wenn ein Energieüberschußangebot in der Turbine 3 vorhanden ist, die mit dem Abgasturbolader gekuppelte Schwungmasse 9 als zweite Lichtmaschine zum Laden des Akkumulators verwendet werden kann. Umgekehrt kann im Bedarfsfalle durch Motorbetrieb der genannten elektrischen Maschine dafür gesorgt werden, daß die Schwungmasse 9 beschleunigt oder auf Drehzahl gehalten wird.The design of the flywheel in Figure 3 as a rotor of an electric machine and the corresponding design of the flywheel housing as the stator of the electric machine allow that at high speed of the exhaust gas turbocharger when there is an excess of energy is present in the turbine 3, the flywheel coupled to the exhaust gas turbocharger 9 second Alternator used to charge the battery can be. Conversely, if necessary, the electric motor can be used Machine ensure that the flywheel 9 accelerates or revs is held.

Die in Figur 4 gezeigten Stellglieder 12 und 13 erlauben eine Aufteilung des Abgas stromes auf die zum Abgasturbolader gehörige Abgasturbine 3 und die unmittelbar mit der Schwungmasse 4 verbundene Abgasturbine 11. Damit ist es möglich, daß auch im Betrieb mit getrennter Kupplung 6 die Schwungmasse 4 auf ausreichend hoher Drehzahl gehalten oder sogar beschleunigt wird.The actuators 12 and 13 shown in FIG. 4 allow a division of the exhaust gas flow to the exhaust gas turbine 3 belonging to the exhaust gas turbocharger and the direct with the flywheel 4 connected exhaust gas turbine 11. This makes it possible that also In operation with a separate clutch 6, the flywheel 4 at a sufficiently high speed is held or even accelerated.

Auch ein Vorabbeschleunigen der Schwungmasse 4 mit Hilfe der Abgasturbine 11 während der Vorbereitung des Ampel-startes ist damit beispielsweise möglich.Also accelerating the flywheel 4 in advance with the aid of the exhaust gas turbine 11 during the preparation of the traffic light start is thus possible, for example.

Um gerade bei derartigen Betriebsabschnitten trotz niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 ein ausreichend energiereiches Abgasangebot zu haben, kann erfindungsgemäß eine Vorverlegung der Öffnungszeit der Auslaßorgane vorgenommen werden.To, especially in such operating phases, despite the low speed of the internal combustion engine 1 to have a sufficiently high-energy exhaust gas supply, can according to the invention made an advance of the opening time of the outlet organs will.

In besonderen Anwendungsfällen kann durch Weglassen der Abgasturbine 3 und der Stellglieder 12 und 13 eine vereinfachte Schaltung erreicht werden. In Sonderfällen ist bei dieser abgewandelten Bauweise noch ein Stellglied, das zwischen Verdichter 2 und Verbrennungsmotor 1 angeordnet ist, möglich. Damit ist ein Umgehen des Verdichters 2 in bestimmten Betriebsbereichen ermöglich.In special applications, by omitting the exhaust gas turbine 3 and the actuators 12 and 13 a simplified circuit can be achieved. In In this modified design, there is still an actuator that is between Compressor 2 and internal combustion engine 1 is arranged, possible. There is a way around that of the compressor 2 in certain operating ranges.

Claims (7)

Patentansprüche Ä t 9 erbrennungsmotor mit Abgasturbolader, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schwungmasse angeordnet ist, die je nach Steuersignal mit dem Rotor des Abgasturboladers durch eine Kupplung verbunden ist oder mit ihm nur durch eine schleifende Kupplung verbunden ist oder von ihm getrennt ist. Claims Ä t 9 internal combustion engine with exhaust gas turbocharger, thereby characterized in that a flywheel is arranged, which depending on the control signal with the rotor of the exhaust gas turbocharger is connected by a clutch or only with it is connected by a slipping clutch or is separated from it. 2. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse in einem teilweise evakuierten oder sich selbsttätig evakuierenden Gehäuse läuft. 2. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that the flywheel is in a partially evacuated or automatic evacuating housing is running. 3. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse innerhalb des Gehäuses des Abgasturboladers koaxial zur Welle des Abgasturboladers angeordnet ist. 3. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that the flywheel is within the housing of the exhaust gas turbocharger is arranged coaxially to the shaft of the exhaust gas turbocharger. 4. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kupplung eine Magnetpulverkupplung oder eine elektromagnetisch oder hydraulisch oder pneumatisch betätigte Reibkupplung oder eine hydrodynamische Kupplung mit steuerbarer Füllmenge oder eine Induktions-Schlupfkupplung mit vorzugsweise schleifringloser Gleichstromerregung verwendet wird. 4. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that the clutch is a magnetic particle clutch or an electromagnetic one or hydraulically or pneumatically operated friction clutch or a hydrodynamic one Coupling with controllable filling quantity or an induction slip clutch with preferably DC excitation without slip rings is used. 5. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse als Rotor einer elektrischen Maschine ausgebildet oder mit dem Rotor einer elektrischen Maschine verbunden ist. 5. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that the flywheel is designed as a rotor of an electrical machine or is connected to the rotor of an electrical machine. 6. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwungmasse mit einer gesonderten zweiten Abgasturbine verbunden ist, wobei Stellglieder die Aufteilung des Abgasstromes auf diese Turbine und auf die dem Antrieb des Verdichterrades dienende Turbine des Abgasturboladers gestatten. 6. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that the flywheel with a separate second exhaust gas turbine is connected, with actuators distributing the exhaust gas flow to this turbine and to the turbine of the exhaust gas turbocharger which is used to drive the compressor wheel allow. 7. Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbrennungsmotor eine Verstellvorrichtung zur Verschiebung der Steuerzeiten der Auslaßorgane vorhanden ist. 7. Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized characterized in that an adjusting device for displacement on the internal combustion engine the timing of the exhaust members is present.
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