DE3804125C2

DE3804125C2 -

Info

Publication number: DE3804125C2
Application number: DE3804125A
Authority: DE
Inventors: Gert Dipl.-Ing. 7333 Ebersbach De Withalm; Dieter Dipl.-Ing. 7015 Korntal De Messerschmidt; Dietrich Dr.-Ing. 7432 Bad Urach De Sahm
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1988-02-11
Filing date: 1988-02-11
Publication date: 1990-11-15
Also published as: DE3804125A1

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a supercharged internal combustion engine according to the preamble of the main claim.

Bei einer gattungsgemäßen, aus der DE-OS 36 23 676 bekann ten Brennkraftmaschine ist ein zusätzlicher mechanischer Antrieb des Abgasturboladers immer dann erwünscht, wenn bei einer positiven Laständerung aus niederen Lastbereichen heraus der Ladedruck und damit die Abgasturboladerdrehzahl nur schleppend ansteigt. Beim Einkuppeln liegen daher zwi schen An- und Abtriebsseite der Kupplung relativ hohe Dreh zahldifferenzen vor, die bei einer konventionellen Reib kupplung, insbesondere dann, wenn die Kupplung in unmittel barer Nähe des heißen Abgasturboladers angeordnet ist, zu deren schnellem Verschleiß führen.In a generic, known from DE-OS 36 23 676 The internal combustion engine is an additional mechanical one Exhaust gas turbocharger drive always desired when at a positive load change from lower load ranges the boost pressure and thus the exhaust gas turbocharger speed only increases slowly. When engaging are therefore between the input and output side of the clutch relatively high rotation number differences before that with a conventional friction clutch, especially if the clutch in immediate bar near the hot turbocharger is arranged to cause their rapid wear.

Die DE-PS 9 15 635 beschreibt eine Andrehvorrichtung für eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine. Hierzu ist unter anderem vorgesehen, in dem den Abgasturbolader mit der Kurbelwelle verbindenden Antriebsstrang eine Kupplung zur bedarfsweisen Entkopplung der Kurbelwelle von dem Abgasturbolader anzuordnen. Diese Kupplung kann z. B. mecha nisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneuma tisch arbeiten. Übear die genaue Wirkungsweise der Kupplung und über deren Aufbau im einzelnen ist nichts ausgesagt. Die Schrift lehrt weiter, daß eine bevorzugte Ausführungsform der Kupplung die ist, antriebsseitig einen Generator anzutreiben, der wiederum über eine elektrische Leitung mit einem Elektromotor verbunden ist, welcher schließlich die Ab triebsseite antreibt. Die Entkopplung des Abgasturboladers von der Kurbelwelle kann dabei z. B. durch Unterbrechung der elek trischen Leitung erfolgen. Bei dieser Kupplungsart tritt beim Ausgleich von An- und Abtriebsdrehzahl während des Einkuppel vorganges keinerlei mechanische Reibung und damit kein Ver schleiß auf. Der Nachteil dieser elektrischen Kupplung besteht jedoch in einem relativ großen Bauaufwand (zwei Baueinheiten: Generator-Elektromotor), welcher letztendlich hohe Kosten ver ursacht. Darüber hinaus ist der Platzbedarf einer derartigen Kupplungseinrichtung sehr groß.DE-PS 9 15 635 describes a starting device for a internal combustion engine charged by means of an exhaust gas turbocharger. For this purpose, it is provided, among other things, in the exhaust gas turbocharger with the drive train connecting the crankshaft a clutch for decoupling the crankshaft from the Exhaust gas turbocharger to be arranged. This clutch can e.g. B. mecha African, electrical, electromagnetic, hydraulic or pneumatic work table. About the exact mode of operation of the clutch and nothing is said about their structure in detail. The document further teaches that a preferred embodiment the clutch that is, a generator on the drive side to drive, which in turn with an electrical line is connected to an electric motor, which eventually the Ab drives the drive side. The decoupling of the exhaust gas turbocharger from the crankshaft can z. B. by interrupting the elec trical management. With this type of coupling occurs when Equalization of input and output speed during engagement no mechanical friction and therefore no Ver wear on. The disadvantage of this electrical coupling is however in a relatively large construction effort (two construction units: Generator-electric motor), which ultimately ver high costs causes. In addition, the space requirement is such Coupling device very large.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 2 beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher keiner lei Funktionsbeeinträchtigungen infolge einer mechanischen oder einer thermischen Überbeanspruchung der im Antriebsstrang zwischen Kurbelwelle und Abgasturbolader angeordneten Kupplung zu erwarten sind, wobei gleichzeitig der Bauaufwand und der Platzbedarf für die Kupplung minimal gehalten ist.The invention has for its object a charged Internal combustion engine in the preamble of claim 1 and To create claim 2 type, in which none lei functional impairments due to a mechanical or a thermal overload in the drive train Coupling arranged between the crankshaft and the exhaust gas turbocharger are to be expected, the construction effort and the Space for the clutch is kept to a minimum.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn zeichnenden Teils des Anspruches 1 oder des Anspruchs 2 ge löst.The object is achieved by the features of the kenn drawing part of claim 1 or claim 2 ge solves.

Bei der erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Kupplung erfolgt eine berührungsfreie Übertragung des Drehmomentes, so daß ein Ein- und Auskuppeln, selbst bei Vorliegen größerer Drehzahldiffe renzen zwischen An- und Abtrieb, problemlos ohne jeglichen Verschleiß durchführbar ist. Diese berührungsfreie Drehmoment übertragung ermöglicht auch eine Anordnung der Kupplung in un mittelbarer Nähe des heißen Abgasturboladers. In the eddy current clutch according to the invention, a non-contact transmission of the torque so that an input and disengaging, even when there are larger speed differences boundaries between input and output, without any problems Wear is feasible. This non-contact torque Transmission also allows the clutch to be arranged in un indirect proximity of the hot exhaust gas turbocharger.

Die erfindungsgemäße Kupplung hat ferner den Vorteil, daß ihr Platzbedarf relativ gering ist. Darüber hinaus ist sie einfach aufgebaut, damit also kostengünstig herzustellen und zu mon tieren.The clutch according to the invention also has the advantage that you Space requirement is relatively small. It is also simple built, so that inexpensive to manufacture and mon animals.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen, wobei sich die Ausgestaltung nach Anspruch 3 besonders für den Fall, daß die Kupplung antriebsseitig und die Ausgestaltung nach Anspruch 4 für den Fall eignet, daß die Kupplung abtriebsseitig im Bezug auf ein zwischen Kurbelwelle und Abgasturbolader vorgesehenes Getriebe angeordnet ist. Die getriebeabtriebsseitige Anordnung der Kupplung hat den Vorteil, daß dann, wenn sich die Kupplung in ausgerücktem Zustand befindet, die Getriebezahnräder vom Abgasturbolader nicht mehr mitgedreht werden, somit also die vom Abgasturbolader zu beschleunigenden Drehmassen minimal ge halten sind. Demzufolge ist auch in diesem Betriebszustand ein bestmögliches Ansprechverhalten des Abgasturboladers gewähr leistet. Advantageous embodiments of the invention are the sub claims, the design according to Claim 3 especially in the event that the clutch drive side and the configuration according to claim 4 for the Case is suitable that the clutch on the output side with respect to a gearbox provided between crankshaft and exhaust gas turbocharger is arranged. The transmission output side arrangement of Coupling has the advantage that when the coupling is in disengaged condition, the gear wheels from Exhaust turbocharger can no longer be rotated, thus the Minimum turning masses to be accelerated by the exhaust gas turbocharger are holding. Accordingly, is also in this operating state guarantee the best possible response of the exhaust gas turbocharger accomplishes.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt. Es zeigtIn the drawing are two embodiments of the invention shown. It shows

Fig. 1 die Ansicht eines teils geschnittenen Abgas turboladers mit Zusatzantrieb in teils sche matischer Darstellung, Fig. 1 is a view of a partly cut exhaust gas turbocharger, with additional drive in some specific matic representation

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Wirbelstrom-Kupplung an der Stelle A in Fig. 1, Fig. 2 shows a detail of a section through an eddy current clutch at the point A in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Kupplung nach Fig. 2 und Fig. 3 is a view of the coupling of Fig. 2 and

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine alternative Kupp lungs-Ausführung an der Stelle B in Fig. 1. Fig. 4 is a partial section through an alternative hitch be execution at point B in Fig. 1st

Der Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine 1 und einem Verdichter 2, der von der Abgasturbine 1 über eine starr mit dem Verdichter 2 verbundene Verdichter-Antriebs welle 3 angetrieben wird.The exhaust gas turbocharger consists of an exhaust gas turbine 1 and a compressor 2 , which is driven by the exhaust gas turbine 1 via a rigidly connected to the compressor 2 compressor drive shaft 3 .

Über ein ins Schnelle übersetzendes von der Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine antreibbares Getriebe 4 kann die mit der Drehzahl der Abgasturbine 1 rotierende Verdichter-An triebswelle 3 auf eine höher liegende Drehzahl gebracht wer den. Ein solcher von der Kurbelwelle 5 ausgehender Zusatzan trieb ist mit Hilfe einer Wirbelstrom-Kupplung zu- und ab schaltbar. Dabei kann diese Kupplung alternativ an- oder ab triebsseitig des ins Schnelle übersetzenden Getriebes 4 an geordnet sein. Beide Alternativen sind in der Fig. 1 dar gestellt, wobei die antriebsseitige Lage mit A und die ab triebsseitige Lage mit B markiert ist.Via a gearbox 4 that can be driven by the crankshaft 5 of the internal combustion engine, the compressor shaft 3 rotating at the speed of the exhaust gas turbine 1 can be brought to a higher speed by the speed. Such starting from the crankshaft 5 Zusatzan drive can be switched on and off with the help of an eddy current clutch. This clutch can alternatively be arranged on or on the drive side of the fast-translating gear 4 . Both alternatives are shown in FIG. 1, the drive-side position with A and the drive-side position with B is marked.

In den gezeichneten Ausführungsbeispielen erfolgt der An trieb von der Kurbelwelle 5 aus mittels eines Riementriebes 6 über eine Lichtmaschine 7 und von dort wiederum über einen Riementrieb 8 zu dem Getriebe 4 hin. In the illustrated exemplary embodiments, the drive takes place from the crankshaft 5 by means of a belt drive 6 via an alternator 7 and from there again via a belt drive 8 to the transmission 4 .

Bei der Anordnung der Kupplung an der Stelle A wird das Ge triebe 4 ständig von der Verdichter-Antriebswelle 3 ange trieben, und zwar unabhängig davon, ob die an der Stelle A vorgesehene Kupplung ein- oder ausgeschaltet ist. Bei einge schalteter Kupplung übernimmt allerdings das von der Kurbel welle 5 ausgehende Drehmoment die Antriebsfunktion, da hier von in diesem Zustand die höhere Antriebsdrehzahl ausgeht.In the arrangement of the clutch at point A , the gear 4 is constantly driven by the compressor drive shaft 3 , regardless of whether the clutch provided at point A is switched on or off. When the clutch is switched on, however, the torque emanating from the crankshaft 5 assumes the drive function, since the higher drive speed assumes here in this state.

Die Kupplung kann alternativ aber auch an der Stelle B di rekt zwischen der Verdichter-Antriebswelle 3 und der Abtriebs stufe des Getriebes 4 angeordnet sein. In diesem Fall läuft das Getriebe ständig mit der durch die Kurbelwelle 5 aufge gebenen Drehzahl mit, d. h. auch dann, wenn die an der Stelle B befindliche Kupplung ausgeschaltet ist.The clutch can alternatively also be arranged at the point B di right between the compressor drive shaft 3 and the output stage of the transmission 4 . In this case, the transmission runs continuously at the speed given by the crankshaft 5 , ie even when the clutch located at point B is switched off.

Die an den Stellen A oder B, d. h. an der An- oder Abtriebs seite des Getriebes eingesetzten Kupplungen sind bei gleichem Wirkprinzip jeweils konstruktiv unterschiedlich aufgebaut.The couplings used at points A or B , ie on the input or output side of the gearbox, are each constructed differently with the same principle of operation.

Der in den Fig. 2 und 3 zum Einsatz bei A bestimmte Kupp lungstyp setzt sich wie folgt zusammen: . The particular in Figures 2 and 3 for use in A type Kupp lung is composed as follows:

Eine fest mit der Welle 9 der Lichtmaschine 7 verbundene Kupplungs-Antriebsscheibe 10 rotiert mit ihrem äußeren Schei benring 11 in einem nach radial innen offenen Ringraum 12 des Abtriebteils (der Kupplungs-Abtriebsscheibe) 13. Der Aufbau und die Form dieses Ringraumes 12 werden weiter unten noch näher be schrieben. Das Material des Scheibenringes 11 ist magneti sierbar. A rigidly connected to the shaft 9 of the generator 7 clutch drive plate 10 rotates with its outer benring ticket 11 in a radially inwardly open annular chamber 12 of the driven part (the clutch output disk). 13 The structure and shape of this annular space 12 will be described in more detail below. The material of the disc ring 11 is magnetisable.

Auf dem äußeren Umfang der Abtriebsscheibe 13 greift der das Getriebe 4 in Bewegung setzende Riementrieb 8 an. Ferner ist die Abtriebsscheibe 13 aus einem Innenring 14 und einem Außen ring 15 zusammengesetzt. Miteinander verbunden sind diese bei den Ringe 14, 15 über einen Zwischenring 16 aus nicht mag netisierbarem Material.The belt drive 8, which sets the transmission 4 in motion, engages on the outer circumference of the driven pulley 13 . Furthermore, the driven pulley 13 is composed of an inner ring 14 and an outer ring 15 . These are connected to one another in the rings 14 , 15 via an intermediate ring 16 made of material which cannot be magnetized.

In einem axial neben dem Ringraum 12 liegenden Bereich weist die Abtriebsscheibe 13 einen zwischen ihrem Innen- und Außen ring 14 bzw. 15 liegenden axial gegenüber dem Ringraum 12 geschlossenen und an seinem anderen Ende offenen weiteren Ringraum 17 auf. In diesen Ringraum 17 ragt ein an einem Sta tor 18 gehäusefest montierter Elektromagnet 19 mit einer stromdurchflossenen Wicklung. Dieser Magnet erzeugt einen elektromagnetischen Fluß, der durch die den Magneten radial einschließenden Metall-Hülsen 20 über einen schmalen Luft spalt in den Innen- und Außenring 14 bzw. 15 der Abtriebs scheibe 13 geleitet wird. Der Innen- und der Außenring 14 bzw. 15 der Abtriebsscheibe 13 sind damit entgegengesetzt gepolt.In an area lying axially next to the annular space 12 , the driven pulley 13 has an annular space 17 , which is located between its inner and outer rings 14 and 15 and is axially closed relative to the annular space 12 and open at its other end. In this annular space 17 protrudes on a Sta tor 18 fixed to the housing electromagnet 19 with a current-carrying winding. This magnet generates an electromagnetic flux, which is radially enclosed by the metal sleeves 20 radially enclosing the magnets 20 over a narrow air gap in the inner and outer rings 14 and 15 of the output disk 13 . The inner and outer rings 14 and 15 of the driven pulley 13 are thus polarized in opposite directions.

Die Stirnwände des radialen Ringraumes 12, in dem der Schei benring 11 der Antriebsscheibe 10 rotiert, werden an dem einen Ende von dem Innenring 14 und an dem anderen Ende von dem Außenring 15 gebildet. Dabei handelt es sich nicht um ge schlossene Stirnwände, sondern lediglich um auf dem Umfang gegeneinander beabstandete Ringwandsegmente 21, die sich axial jeweils flächendeckend gegenüberliegen.The end walls of the radial annular space 12 , in which the disk benring 11 of the drive disk 10 rotates, are formed at one end by the inner ring 14 and at the other end by the outer ring 15 . These are not closed end walls, but only circumferentially spaced annular wall segments 21 which are axially opposite each other.

Der sich auf diese Weise ergebende Magnetfluß durch die Teile: Hülsen 20, Innen- und Außenring 14 bzw. 15 der Ab triebsscheibe, die Ringwand-Segmente 21 sowie den Scheiben ring 11 ist in Fig. 2 durch Pfeile markiert.The resulting magnetic flux through the parts: sleeves 20 , inner and outer ring 14 and 15 from the drive disk, the ring wall segments 21 and the disk ring 11 is marked in Fig. 2 by arrows.

Die Abtriebsscheibe 13 ist insgesamt über ein Wälzlager 22 auf dem Stator 18 gelagert.The driven pulley 13 is mounted on the stator 18 overall via a roller bearing 22 .

Die magnetischen Feldlinien durchsetzen den Scheibenring 11 jeweils nur im Bereich der Ringwand-Segmente 21.The magnetic field lines penetrate the disk ring 11 only in the area of the ring wall segments 21 .

Die drehzahlabhängige Änderung des Magnetisierungszustandes des Scheibenringes 11 erzeugt Wirbelströme, die in Wechsel wirkung mit dem magnetischen Fluß ein Drehmoment hervor rufen.The speed-dependent change in the state of magnetization of the disc ring 11 generates eddy currents which, in interaction with the magnetic flux, cause a torque.

Bei der zweiten Ausführungsform der in Fig. 4 dargestell ten direkt an die Verdichter-Antriebswelle 3 angeschlossenen Wirbelstromkupplung setzt sich diese wie folgt zusammen.In the second embodiment of the eddy current clutch connected to the compressor drive shaft 3 in FIG. 4, this is composed as follows.

Die Antriebsscheibe 23 der Kupplung ist fester Bestandteil des Abtriebsrades 24 des Getriebes 4 und drehbar auf der Ver dichter-Antriebswelle 3 gelagert, die wiederum gleichzeitig Abtriebswelle der den Verdichter 2 antreibenden Abgasturbine 1 ist. Die Abtriebsscheibe 25 der Kupplung ist fest mit der Verdichter-Antriebswelle 3 verbunden. Diese Abtriebsscheibe 25 setzt sich aus einem Innenring 26 zu sammen, der direkt auf der Verdichter-Antriebswelle 3 auf sitzt und einem Außenring 27, der über einen Zwischenring 28 mit dem Innenring 26 verbunden ist. Der Innenring 26 und der Außenring 27 sind aus magnetisierbarem Material, während der Zwischenring 28 aus unmagnetisierbarem Material besteht. Der Innenring 26 und der Außenring 27 grenzen axial und ra dial außen einen Ringraum 29 ein, in dem die Antriebsscheibe 23 rotiert. Der Innenring 26 und der Außenring 27 sind durch einen gehäusefest angeordneten Elektromagneten 30 magneti sierbar, wobei der magnetische Fluß von dem Elektromagne ten 30 aus über dünne Luftspalte auf die beiden Ringe 26 und 27 übertragen wird. Der Magnetfluß durch die einzelnen genannten Teile ist wie bei dem vorbeschriebenen Kupplungs typ wiederum mit Pfeilen angegeben.The drive plate 23 of the clutch is an integral part of the driven wheel 24 of the transmission 4 and rotatably mounted on the United compressor drive shaft 3 , which in turn is the output shaft of the compressor 2 driving the exhaust gas turbine 1 . The clutch output disk 25 is fixedly connected to the compressor drive shaft 3 . This driven pulley 25 is composed of an inner ring 26 which sits directly on the compressor drive shaft 3 and an outer ring 27 which is connected to the inner ring 26 via an intermediate ring 28 . The inner ring 26 and the outer ring 27 are made of magnetizable material, while the intermediate ring 28 consists of non-magnetizable material. The inner ring 26 and the outer ring 27 axially and ra dial outside an annular space 29 in which the drive disk 23 rotates. The inner ring 26 and the outer ring 27 are magneti sizable by an electromagnet 30 fixed to the housing, the magnetic flux from the electromagnetic 30 from thin air gaps to the two rings 26 and 27 is transmitted. The magnetic flux through the individual parts mentioned is, as in the case of the clutch described above, again indicated by arrows.

Die Antriebsscheibe 23 ist als gezahntes Polrad ausgebildet, d. h. in dem Bereich, in dem die Antriebsscheibe in den Ring raum 29 hineinragt, besitzt die Scheibe nur umfangsmäßig voneinander beabstandete einzelne Segmente, die mit den bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel mit 21 bezeichne ten Segmenten funktionell vergleichbar sind.The drive disk 23 is designed as a toothed pole wheel, ie in the area in which the drive disk projects into the annular space 29 , the disk has only circumferentially spaced apart segments which are functionally comparable to the segments designated in the above-described embodiment with 21 th segments .

Bei Erregung und bei einer vorhandenen Schlupf-Drehzahl ent stehen in der Abtriebsscheibe 25 Wirbelströme, die im Zu sammenwirken mit dem magnetischen Fluß ein Kupplungsmoment hervorrufen, das die Verdichter-Welle 3 zusätzlich antreibt.When excited and at an existing slip speed ent 25 eddy currents arise in the driven pulley, which together with the magnetic flux cause a clutch torque that drives the compressor shaft 3 additionally.

Für beide Ausführungsbeispiele gilt, daß eine Drehmoment übertragung dann erfolgt, wenn der Elektromagnet 19 bzw. 30 durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung erregt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es selbstver ständlich auch denkbar, daß diese Spannung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine variiert wird, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Beeinflussung des von der Kupplung zu übertragenden Drehmomentes gegeben ist.For both exemplary embodiments, torque is transmitted when the electromagnet 19 or 30 is excited by applying a predetermined voltage. In a further embodiment of the invention, it is of course also conceivable that this voltage is varied depending on the operating parameters of the internal combustion engine, which provides an additional possibility for influencing the torque to be transmitted by the clutch.

Claims

1. Supercharged internal combustion engine with a mechanically drivable exhaust gas turbocharger, in which the crankshaft with the exhaust gas turbocharger connecting to a power train a frictionless coupling device for decoupling the exhaust gas turbocharger from the mechanical drive and a transmission gear is provided, characterized in that the Coupling device (A) , an eddy current clutch is that the drive part of the clutch has an eddy current disk ( 11 ) and that the driven part of the clutch comprises the vortex flow disk ( 11 ) from the outside radially U-shaped, the sen leg ( 14, 15 ) of Individual segments ( 21 ) spaced apart from one another over the circumference are formed, these segments ( 21 ) being axially congruent with each other and magnetically non-contactable by a fixed-mounted electromagnet ( 10 ).

2. Supercharged internal combustion engine with a mechanically drivable exhaust gas turbocharger, in which the crankshaft connecting the exhaust gas turbocharger to the drive train, a friction-free coupling device for decoupling the exhaust gas turbocharger from the mechanical drive and a transmission gear is provided, characterized in that the Coupling device (B) is an eddy current clutch, that the drive part of the clutch has a magnetizable disk ( 23 ), which is divided into individual circumferentially distributed and spaced-apart segments, and that the driven part of the clutch surrounds the disk ( 23 ) in a U-shaped manner from the outside The legs ( 26, 27 ) of which are electrically conductive and can be magnetized in a non-contact manner against the opposite pole by means of a stationary electromagnet ( 30 ).

3. Supercharged internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the eddy current clutch (A) is arranged on the transmission output side at a transmission gear provided in the course of the drive train ( 4 ).

4. Supercharged internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the eddy current clutch (B) is arranged on the transmission output side in a transmission gear provided in the course of the drive train ( 4 ).