Antriebssystem Drive system
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für mit einem Verbrennungsmotor betriebene Systeme, beispielsweise Kraftfahrzeuge, mit Steuer- und Regelorganen zur Einstellung und Erhaltung vorbestimmbarer Betriebs-zustände, mit mechanischem Verdichter der Verdränger-Bauart, mit einem Getriebe, mit dem die Antriebskraft des Motors in zwei Komponenten verteilbar ist, wobei eine der Komponenten auf die Abtriebswelle des Systems übertragbar und mit der anderen Komponente der Verdichter antreibbar ist und der Verdichter einerseits Luft zum Aufladen des Motors ansaugt und verdichtet und andererseits Kraft auf das Getriebe zurück überträgt und die Abtriebsdrehzahl stufenlos mit Hilfe von Drosselventilen stellbar ist.The invention relates to a drive system for systems operated with an internal combustion engine, for example motor vehicles, with control and regulating elements for setting and maintaining predeterminable operating states, with a mechanical compressor of the displacer type, with a transmission with which the driving force of the engine in two components is distributable, one of the components being transferable to the output shaft of the system and being drivable with the other component of the compressor and the compressor sucking in and compressing air for charging the engine on the one hand and transferring power back to the transmission on the other hand and the output speed steplessly by means of throttle valves is adjustable.
Derartige Antriebssysteme, insbesondere mit den aufgeführten Komponenten, sind bekannt und in vielen Variationen praktisch erprobt. Dies gilt für stufenlose Getriebe-Arten ebenso wie für die verschiedenen Verfahren zur Motor-Aufla-
düng. Jede der bekannten Ausführungen hat jedoch auch spezifische Nachteile.Such drive systems, in particular with the listed components, are known and have been tried and tested in many variations. This applies to continuously variable transmission types as well as to the various processes for engine fertilizer However, each of the known designs also has specific disadvantages.
Stufenlose Getriebe, mit dem Vorteil, beispielsweise den Bereich des maximalen Antriebs-Drehmomentes oder des minimalen Kraftstoff-Verbrauches dauerhaft nutzbar zu halten, stehen dem grundsätzlichen Problem gegenüber, daß eine Änderung des Drehzahlverhältnisses zweier Wellen prinzipiell nur mit einer zeitweisen oder permanent-teilweise Aufhebung der Kraftübertragung zwischen ihnen möglich ist. Form und zeitlicher Verlauf des system-bedingten Schlupfes bei Übersetzungs-Änderungen ergeben letztlich auch die spezifischen Nachteile der mechanichen und hydraulischen Arten und Ausführungen stufenloser Getriebe nach dem Stand der Technik, seien es definierte oder Undefinierte Schlupf-Intervalle mechanischer oder hydraulischer Art. Auch pneumatische Getriebe ließen sich in diese Gliederung leicht einfügen.Continuously variable transmissions, with the advantage, for example, of keeping the range of the maximum drive torque or the minimum fuel consumption permanently usable, face the fundamental problem that a change in the speed ratio of two shafts is principally only possible with a temporary or permanent partial cancellation of the Power transmission between them is possible. The form and time course of the system-related slip in the case of translation changes ultimately also result in the specific disadvantages of the mechanical and hydraulic types and designs of continuously variable transmissions according to the prior art, be they defined or undefined slip intervals of a mechanical or hydraulic type. Also pneumatic transmissions were easy to insert into this outline.
Mit Verdränger-Wirkung sind spezielle Druckluft-Getriebe, z.B. für Werkzeuge oder für Hebezeuge, bekannt geworden, die mit Druckluft angetrieben werden. Sie spielen für Antriebssysteme mit Verbrennungsmotoren keine Rolle. Andererseits wird ein pneumatisches Getriebe mit mehreren Propellern, einer Turbine und zirkulierender Luftströmung zur Kraftübertragung mit DE-OS 1 945 905 vorgeschlagen. Mit Undefiniertem, permanentem Schlupf sind dessen Wirkungsgrad und maximal übertragbares Drehmoment jedoch gering.
Ferner wird beispielsweise in der DE-PS 920 220 ein Aggregat vorgeschlagen, das Druckluft zur Aufladung des Motors erzeugt, mit dem Zweck, den Luft-Durchsatz in den Verbrennungsräumen zu erhöhen und damit die Leistung zu steigern bzw. den Kraftstoff-Verbrauch zu senken. Der Einsatz solcher Aggregate allerdings auch mit spezifischen Nachteilen verbunden, so zweigen mechanische Lader mit Verdichtern der Verdränger-Bauart, direkt angetrieben durch die Kurbelwelle, einen relativ hohen Teil der Nutzleistung unmittelbar ab und Abgas-Lader, beispielsweise Druckwellen- undWith compressed air, special compressed air gearboxes, for example for tools or for hoists, which are driven with compressed air have become known. They play no role for drive systems with internal combustion engines. On the other hand, a pneumatic transmission with several propellers, a turbine and circulating air flow for power transmission is proposed with DE-OS 1 945 905. With undefined, permanent slip, however, its efficiency and maximum transmissible torque are low. Furthermore, for example in DE-PS 920 220 an assembly is proposed which generates compressed air for charging the engine with the purpose of increasing the air throughput in the combustion chambers and thus increasing the output or reducing the fuel consumption. The use of such units, however, also has specific disadvantages, such as mechanical loaders with compressors of the displacer type, directly driven by the crankshaft, branch off a relatively high part of the useful power and exhaust gas loaders, for example pressure wave and
Turbo-Lader, die mit der Energie des Abgases betrieben werden, arbeiten unter erheblicher thermischer Belastung und erzielen ihre Wirkung in starker Abhängigkeit von der Motor-drehzahl. Alle bekannten Lader-Systeme haben gemeinsam, daß sie Energie verbrauchen und unabhängig von der Kraftübertragung betrieben werden. Das Problem der Antriebssysteme mit Verbrennungsmotoren, den begrenzten Bereich der günstigsten Motor-Drehzahl auf einen größeren Drehzahlbereich der Antriebswelle umzusetzen, wird davon nicht tan¬giert.Turbo-chargers, which are operated with the energy of the exhaust gas, work under considerable thermal stress and achieve their effect in a manner that is strongly dependent on the engine speed. All known charger systems have in common that they consume energy and are operated independently of the power transmission. The problem of drive systems with internal combustion engines of converting the limited range of the cheapest engine speed to a larger speed range of the drive shaft is not addressed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Getriebe und Lader so zu integrieren, daß sie sich in ihrer Wirkung ergänzen, wobei die aufgeführten Nachteile der bekannten stufenlosen Getriebe-Arten vermieden werden sollen und das konzipierte Antriebssystem gegenüber den bekannten Systemen bei vergleichbarem Wirkungsgrad einfacher aufgebaut und stellbar sein sollen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß dem Verdichter motor-seitig eine Überdruckkammer und ansaugseitig eine Unterdruckkammer vorgelagert sind und die Unterdruckkammer ein Drosselventil aufweist, daß die Überdruckkammer und die Unterdruckkammer parallel zu ihrer Förderstrecke über mindestens einen Rückstromkanal mit einem Drosselventil miteinander verbunden sind, daß mit Hilfe eines weiteren Drosselventils ein Teil des Verdichter-Antriebsmomentes der Erzeugung von Unterdruck in der Unterdruckkammer dient und eine pneumatische Einrichtung ein rückwirkendes Moment auf die Abtriebswelle überträgt, wobei dieses rückwirkende Moment proportional der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Überdruckkammer und in der Unterdruckkammer ist.The invention has for its object to integrate gearboxes and loaders so that they complement each other in their effect, the disadvantages of the known continuously variable transmission types to be avoided and the designed drive system compared to the known systems with comparable efficiency easier to set up and adjust should be. This object is achieved in that the compressor has an overpressure chamber on the engine side and a vacuum chamber on the intake side and the vacuum chamber has a throttle valve, that the overpressure chamber and the vacuum chamber are connected to one another in parallel with their conveying path via at least one return flow channel with a throttle valve With the help of another throttle valve, part of the compressor drive torque is used to generate negative pressure in the negative pressure chamber and a pneumatic device transmits a retroactive torque to the output shaft, this retroactive torque being proportional to the pressure difference between the pressure in the pressure chamber and in the vacuum chamber.
Durch diese Maßnahmen wird ein Antriebssystem aus Kraftübertragung, Drehzahl-Änderung und Luft-Verdichtung zur-Aufladung des Motors geschaffen, daß auch mit system-spezifischer Kühlung versehbar ist, in einer mechanisch und pneumatisch wirkenden Funktionseinheit erfolgt und mit Hilfe einfacher Drosselventile stufenlos steuerbar ist.These measures create a drive system consisting of power transmission, speed change and air compression for supercharging the engine, which can also be provided with system-specific cooling, takes place in a mechanically and pneumatically acting functional unit and can be steplessly controlled using simple throttle valves.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben; es zeigt:Further advantageous measures are described in the subclaims. The invention is illustrated in the accompanying drawing and is described in more detail below; it shows:
Fig. 1 das Wirkungsgefüge des Antriebssystems;
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführung des system-spezifischen Verteilergetriebes als Systemkomponente in einfachster Form;Figure 1 shows the structure of the action of the drive system. 2 shows a preferred embodiment of the system-specific transfer case as a system component in the simplest form;
Fig. 3 die Struktur der pneumatischen Einrichtung und deren Wechselwirkung mit der in Fig. 2 dargestellten Systemkomponente, wobei der mechanische Kraftfluß durch Doppel-Linien, der Luftstrom durch einfache Linien und der Kraftstoff- und Abgasstrom durch Strich-Punkt-Linien dargestellt sind;3 shows the structure of the pneumatic device and its interaction with the system component shown in FIG. 2, the mechanical force flow being represented by double lines, the air flow by single lines and the fuel and exhaust gas flow by dash-dot lines;
Fig. 4 die schematischer Darstellung eines dreistufigen Ausführungsbeispiel für eine zuschaltbare Drehmoment-Verstärkung mit Überlagerung der Stufen und selbsttätigem Phasenwechsel, als Erweiterung der in der Fig. 2 dargestellten Systemkomponente, in Wechselwirkung mit der in der Fig. 3 dargestellten Systemkomponente, mit Antrieb an einem Sonnenrad und Abtrieb zum nicht dargestellten Wendegetriebe vom zugehörigen Planetensteg.Fig. 4 is a schematic representation of a three-stage embodiment for a switchable torque amplification with superposition of the stages and automatic phase change, as an extension of the system component shown in Fig. 2, in interaction with the system component shown in Fig. 3, with drive on one Sun gear and output to the reverse gear, not shown, from the associated planetary web.
Die in der Fig. 1 dargestellte Systemkomponente ist ein herkömmlicher Verbrennungsmotor als Antriebsquelle, mit Kraftstoff- und Luft-Zufuhr. Im Sinne der Erfindung kann die benötigte Luft je nach baulicher Ausführung und Einsatz des Fahrzeuges auf verschiedene Weise in die Verbrennungsräume gefördert werden, nämlich über den system-spezifischen Verdichter der pneumatischen Einrichtung 3 und nur
darüber oder zusätzlich, im Bypass-Betrieb, über ein Saugventil 5 von außen oder zusätzlich bzw. ausschließlich über einen weiteren Lader 4, der vorteilhaft durch die Systemkomponente 2 angetrieben wird.The system component shown in FIG. 1 is a conventional internal combustion engine as a drive source, with fuel and air supply. According to the invention, the required air can be conveyed into the combustion chambers in various ways, depending on the structural design and use of the vehicle, namely via the system-specific compressor of the pneumatic device 3 and only above or in addition, in bypass operation, via a suction valve 5 from the outside or additionally or exclusively via a further charger 4, which is advantageously driven by the system component 2.
Andere Ausführungen, in denen die Aufladung des Motors über eine separate Einrichtung erfolgt oder ganz entfällt, liegen ebenfalls im Rahmen der Erfindung, sofern sie ein Teilsystem der Art 2 - 3 enthalten.Other designs in which the engine is charged via a separate device or omitted entirely are also within the scope of the invention, provided that they contain a subsystem of the type 2-3.
Die Rotationsenergie der Kurbelwelle wird zunächst formschlüssig auf die Systemkomponente 2 übertragen. Die Systemkomponente 2, bestehend aus mindestens einem Verteilergetriebe, kann ebenfalls in verschiedener Ausführung eingesetzt werden. In Fig. 2 ist ein einfaches Umlaufräder-Zahnradgetriebe mit Stirnrädern und einem innen-verzahnten Rad schematisch dargestellt.The rotational energy of the crankshaft is first transferred to the system component 2 in a form-fitting manner. The system component 2, consisting of at least one transfer case, can also be used in various designs. In Fig. 2, a simple epicyclic gear transmission with spur gears and an internally toothed wheel is shown schematically.
Der Antrieb erfolgt in diesem Fall über den Planetensteg 21. Die Planetenräder verteilen somit die Antriebskraft in eine Komponente, die über das innenverzahnte Rad 23, zum Beispiel für den Abtrieb, zur Verfügung steht, und in eine Komponente, die über das Sonnenrad 22 auf die Einrichtung 3 einwirkt.In this case, the drive takes place via the planet web 21. The planet gears thus distribute the driving force into a component that is available via the internally toothed wheel 23, for example for the output, and into a component that via the sun gear 22 onto the Device 3 acts.
Im Prinzip ist auch die umgekehrte Verteilung möglich. Soweit konstruktiv möglich, ist es jedoch vorteilhaft, die höhere Drehzahl über das innere Zentralrad zu führen. Die
Kinematik des Umlaufräder-Getriebes ist bekannt: Sei q das (variable) Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten w(22) zu w(21). Dann gibt es für jedes Größenverhältnis der im Eingriff befindlichen Zahnräder jeweils genau ein Verhältnis q* mit q* > 1 derart, daß das Abtriebsrad 23 stillsteht (Leerlauf-Konstellation). Bei q = 1, d.h., im Fall w(22) = w(21), sind Antriebs- und Abtriebsdrehzahl gleich (direkte Übersetzung).In principle, the reverse distribution is also possible. As far as constructively possible, however, it is advantageous to run the higher speed via the inner central wheel. The Kinematics of the planetary gearbox is known: Let q be the (variable) ratio of the angular velocities w (22) to w (21). Then there is exactly one ratio q * with q *> 1 for each size ratio of the gearwheels in engagement such that the driven gear 23 stands still (idling constellation). At q = 1, ie in the case w (22) = w (21), the input and output speeds are the same (direct translation).
Mit Hilfe der Systemkomponente 3 kann dieses Verhältnis q im laufenden Betrieb stufenlos verändert und auf den optimalen Wert gestellt werden. Eine Kupplung als Anfahr- oder Schalthilfe ist damit nicht erforderlich.With the help of system component 3, this ratio q can be changed continuously during operation and set to the optimum value. A clutch as starting or shifting aid is therefore not required.
Die in der Fig. 3 dargestellte Systemkomponente 3 besteht aus mindestens einem mechanischen Verdichter 32 mit Verdränger-Wirkung, vorzugsweise einem Roots-Lader oder einem Halbwalzen-Verdichter, und zwar mit besonderer Abdichtung gegen eindringendes Öl, einer vorgelagerten Unterdruck- Kammer 31 auf der Ansaugseite, einer nachgelagerten Überdruck-Kammer 33 auf der Motorseite sowie Rückstrom-Kanälen 34 und den zugehörigen Drosselventilen D1, D2, D3.The system component 3 shown in FIG. 3 consists of at least one mechanical compressor 32 with a displacement effect, preferably a Roots loader or a half-roller compressor, with a special seal against penetrating oil, and an upstream vacuum chamber 31 on the intake side , a downstream pressure chamber 33 on the engine side as well as return flow channels 34 and the associated throttle valves D1, D2, D3.
Mit diesem einfachen Aufbau, ergänzt um Steuer-Einrichtungen, auf die Ventile D1 , D2, D3 wirkend, ist das System technisch funktionsfähig. Die Komponenten 2 und 3 wirken im Prinzip als pneumatisch regelbares Überlagerungsgetriebe
mit besonders geringen Reibungsverlusten und mit teilweiser Rückgewinnung der für die Drehzahl-Änderung aufgewendeten Energie. Anderseits kann die Kombination auch als Einrichtung zur mechanischen Aufladung des Motors mit dem Nebeneffekt einer stufenlosen Änderung des Drehzahlverhältnisses bei der Kraftübertragung betrachtet werden.With this simple structure, supplemented by control devices, acting on the valves D1, D2, D3, the system is technically functional. In principle, components 2 and 3 act as pneumatically controllable superposition gears with particularly low friction losses and with partial recovery of the energy used to change the speed. On the other hand, the combination can also be viewed as a device for mechanically charging the engine with the side effect of a stepless change in the speed ratio during power transmission.
Welcher Aspekt dominiert, hängt vor allem vom Verwendungszweck bzw. von der Situation des angetriebenen Fahrzeugs ab. Soll zum Beispiel das Fahrzeug bei konstanter Antriebs- Drehzahl, insbesondere bei maximalem Drehmoment des Motors, beschleunigt werden, so muß die Winkelgeschwindigkeit w(23) um einen Betrag Δ w(23)> 0 erhöht werden. Erfindungsgemäß wird das Ergebnis bei w(21) = const.> 0 mittels einfacher Reduzierung des MassenstromsWhich aspect dominates depends above all on the intended use or the situation of the driven vehicle. For example, if the vehicle is to be accelerated at a constant drive speed, in particular at maximum engine torque, the angular velocity w (23) must be increased by an amount Δ w (23)> 0. According to the invention, the result at w (21) = const.> 0 by simply reducing the mass flow
an den Drosselventilen D1 oder D2 erzielt. Die Rückstrom-Ventile D3 werden vor allem für den Leerlauf und den Teillast-Betrieb benötigt; sie seien während des Beschleunigungsvorganges geschlossen. Für die Luftmasse, die pro Zeiteinheit, beispielsweise durch das Ventil D1 einströmen kann, gibt es nach der Strömungslehre (bei monoton sich verjüngender Düse) einen Maximalwert
mit der Beziehung
wobei
der Austrittsquerschnitt der Düse an D1 und p
der maximal mögliche Wert der Stromdichte
ist, mit der Luftdichte
und der achieved on the throttle valves D1 or D2. The backflow valves D3 are mainly needed for idling and part-load operation; they are closed during the acceleration process. For the air mass that can flow in per unit time, for example through valve D1, there is a maximum value according to the flow theory (with a monotonously tapering nozzle) with the relationship in which the outlet cross section of the nozzle at D1 and p the maximum possible value of current density is with the air density and the
Strömungsgeschwindigkeit u.
ist für den vorliegenden Strömungsvorgang als eine für Luft spezifische Konstante zu betrachten; denn es gilt Y
Flow velocity u. is to be regarded as a constant specific for air for the current flow process; because Y applies
mit ' ~-er maximalen Einström-Geschwindig-
keit, sowie
= Dichte der Außenluft,
= Außentemperatur,
, mit = spez. Wärme (Luft),
/ (Vgl. Becker, Technische Strömungslehre, Teubner-Verlagwith '~ -maximum inflow speed- speed, as well = Density of outside air, = Outside temperature, , with = spec. Heat (air), / (Cf. Becker, Technical Fluid Dynamics, Teubner-Verlag
1977, Seite 134-145). Daraus folgt, daß die maximale Stromdichte
, unabhängig vom Unterdruck , mit ,
d.h. mit dem Drosselventil D1, zwingend variiert werden kan1977, pages 134-145). It follows that the maximum current density , regardless of negative pressure, with, ie can be varied with the throttle valve D1
Die Beziehungen gelten analog auch für die Überdruck-Kammer 33, hier allerdings auch in Abhängigkeit von der variablen Dichte und Temperatur. Bei Reduzierung der Drosselventile D1 oder D2 wird die Fördermenge des Verdichters (32) stetig verringert. Es entsteht ein Unterdruck in der ansaug-
seitigen Unterdruckkammer 31 und ein Überdruck in der
motorseitigen Überdruckkammer 33, und zwar wirkt auf die
Drehkolben des Verdichters 32 insgesamt der Druck
The relationships also apply analogously to the overpressure chamber 33, but here also as a function of the variable density and temperature. When the throttle valves D1 or D2 are reduced, the delivery volume of the compressor (32) is steadily reduced. A vacuum is created in the intake -sided vacuum chamber 31 and an overpressure in the engine-side pressure chamber 33, namely acts on the Rotary piston of the compressor 32 total pressure
Dabei wird die Druckkraft Fp = Δ P . A (32) gegen die Querschnittsfläche A des Verdichters 32 aufgebaut, und die Winkelgeschwindigkeit w(32) wird um den Betrag Δ w(32) verringert.The compressive force F p = Δ P. A (32) against the cross-sectional area A of the compressor 32, and the angular velocity w (32) is reduced by the amount Δ w (32).
Die mechanische Koppelung der Drehkolben-Achsen mit dem Umlaufräder-Getriebe 2 ergibt mithin zwangsweise eine Reduzierung bzw. Begrenzung der Sonnenrad-Drehzahl w(22); und über die Planetenräder wird schließlich der Antrieb auf das innen-verzahnte Rad (23) übertragen, und zwar je nach Ventilstellung D1, D2, D3 mit der Abtriebs-Drehzahl 0 bis zur Übersetzung 1 : 1 oder darüber.The mechanical coupling of the rotary piston axes with the epicyclic gear mechanism 2 therefore necessarily results in a reduction or limitation of the sun gear speed w (22); and finally, via the planet gears, the drive is transferred to the internally toothed wheel (23), depending on the valve position D1, D2, D3 with the output speed 0 up to the ratio 1: 1 or above.
Der Leerlauf bei laufendem Motor ergibt sich in dieser einfachen Ausführung, wie mit der Systemkomfjonente 2 beschrieben, aus der Kinematik des Umlaufräder-Getriebes, und zwar als Grenzfall der Relation q = w(22) / w(21), mit w(22) > w(21) > 0; und für die Richtungsumkehr des Antriebes ist ein Wendegetriebe vorgesehen, vorzugsweise ein nachgeschaltetes Planetenrad-Wendegetriebe mit umschaltbaren Arretier-Vorrichtungen.
Der qualitative Zusammenhang ist dabei: w(21) > 0 → w(22) hw(32) →- m(3);In this simple design, as described with system component 2, the idling while the engine is running results from the kinematics of the planetary gearbox, as a limit case of the relation q = w (22) / w (21), with w (22) > w (21)>0; and a reversing gear is provided for reversing the direction of the drive, preferably a downstream planetary gear reversing gear with switchable locking devices. The qualitative relationship is: w (21)> 0 → w (22) hw (32) → - m (3);
Δ a(3) → Δm(3) → Δp(3) → FP(3) → Δw(32);Δ a (3) → Δm (3) → Δp (3) → FP (3) → Δw (32);
Δ w(32) → Δ w(22) → Δw(23) > 0. Die Maschine arbeitet mit permanentem, aber definiertemΔ w (32) → Δ w (22) → Δw (23)> 0. The machine works with a permanent but defined one
Schlupf und mit geringer Reibung. Darin besteht ihr spezifischer Vorteil. In jeder Phase kann das volle Antriebs- Drehmoment übertragen werden.Slip and with little friction. This is their specific advantage. The full drive torque can be transmitted in each phase.
Die Thermik des Systems bleibt dabei stets regulierbar; denn die Unterdruck-Kammer 31 dient u.a. als Kühl-Einrichtung gegenüber der Temperatur-Erhöhung in der Überdruck- Kammer 33 bei Aufladung des Motors. Vorteilhaft ist diese autonome Kühlung außerdem bei geringer externer Kühlmöglichkeit, z.B. bei niedriger Fahrzeug-Geschwindigkeit. Darüber hinaus läßt sich sowohl dieser Unterdruck als auch der Überdruck der Luftkammer 33 für Servo-Aggregate außerhalb des Antriebssystems nutzen.The thermals of the system always remain adjustable; because the vacuum chamber 31 serves, among other things. as a cooling device against the temperature increase in the pressure chamber 33 when the engine is charging. This autonomous cooling is also advantageous when there is little external cooling, e.g. at low vehicle speed. In addition, both this negative pressure and the excess pressure of the air chamber 33 can be used for servo units outside the drive system.
Der Ladedruck p3 ≤ P2 entsteht je nach Drehzahl desVerdichters 32 und je nach Ventileinstellung D1, D2, D3. Die optimale Öffnung der einzelnen Ventile je nach Fahrsituation zu ermitteln und zu steuern, ist technisch problemlos, insbesondere mit Hilfe eines Mikroprozessors und durch Erweiterung einer ohnehin vorhandenen Motor-ElektroniThe boost pressure p 3 ≤ P 2 arises depending on the speed of the compressor 32 and the valve setting D1, D2, D3. Determining and controlling the optimal opening of the individual valves depending on the driving situation is technically easy, in particular with the help of a microprocessor and by expanding an already existing motor electronics
Der Wirkungsgrad des Antriebssystems wird lediglich durch
den Wärmestrom zwischen den Luftkammern 33 und 31 negativ beeinflußt - genauer: durch den Teil der in 33 freigesetzten Wärme, der sich nicht auf die Kammer 31 ableiten läßt. Durch eine geeignete Form und Anordnung der in Fig. 3 schematisch nebeneinander dargestellten Druckkammern 31 und 33, insbesondere durch eine räumliche Durchdringung, z.B. mit einer Anzahl druckfester, in den Luftstrom integrierter Röhren, kann dieser Teil mit konstruktiven Mitteln zusätzlich eingeschränkt werden.The efficiency of the drive system is only determined by affects the heat flow between the air chambers 33 and 31 negatively - more precisely: by the part of the heat released in 33 that cannot be dissipated to the chamber 31. Through a suitable shape and arrangement of the pressure chambers 31 and 33 shown schematically next to one another in FIG. 3, in particular through a spatial penetration, for example with a number of pressure-resistant tubes integrated in the air flow, this part can be additionally restricted by constructional means.
Der bauliche Aufwand bleibt insgesamt gering. Da die Fördermenge des system-spezifischen Verdichters nicht unbedingt maximiert werden muß, bleiben dessen Drehzahl, Baugröße und Spaltverluste unkritisch. Hochleistungs-Fahrzeuge können unabhängig davon mit einer zusätzlichen, separaten Motor-Aufladung betrieben werden.The overall construction effort remains low. Since the delivery rate of the system-specific compressor does not necessarily have to be maximized, its speed, size and gap losses remain uncritical. Independently of this, high-performance vehicles can be operated with an additional, separate engine charge.
Zur Verstärkung des Antriebs-Drehmomentes können mechanische Untersetzungsstufen, insbesondere Planetenradsätze, zugeschaltet werden, die in dieser Funktion, beispielsweise mit Bremsen und Kupplungen, bekannt sind.Mechanical reduction stages, in particular planetary gear sets, which are known in this function, for example with brakes and clutches, can be activated to amplify the drive torque.
Für das Antriebssystem nach der Erfindung kann jedoch auch eine Anordnung von Planetenradsätzen verwendet werden, die sich - als Erweiterung der Systemkomponente 2 - mit der pneumatischen Einrichtung 3 vorteilhaft kombinieren läßt, und die zum Wechsel der einzelnen Drehmoment-Phasen keine
Schaltelemente wie Bremsen, Kupplungen und dgl. und keine separate Schalt-Steuerung benötigt. Eine solche Anordnung wird im wesentlichen mit einem oder mehreren koaxial zugeschalteten Sammelgetrieben realisiert, deren Hohlrad sich über je einen Freilauf am Gehäuse abstützt, und zwar vorzugsweise nach dem in Fig. 4 dargestelltem Schema.However, an arrangement of planetary gear sets can also be used for the drive system according to the invention, which - as an extension of the system component 2 - can advantageously be combined with the pneumatic device 3 and which does not have any for changing the individual torque phases Switching elements such as brakes, clutches and the like, and no separate switching control is required. Such an arrangement is essentially realized with one or more coaxially engaged group gears, the ring gear of which is supported on the housing via a freewheel, preferably according to the diagram shown in FIG. 4.
Darin sind die einzelnen Planetenradsätze über das Sonnenrad 442 des system-spezifischen Verteilergetriebes 44 und über eine Hohlwelle mit der pneumatischen Einrichtung 3 verbunden. Der Antrieb durch die Kurbelwelle des Motors wird über das Sonnenrad 421 in das Sammelgetriebe 42 geführt, das mit dem vorgelagerten Sammelgetriebe 41 gekoppelt ist.The individual planetary gear sets are connected to the pneumatic device 3 via the sun gear 442 of the system-specific transfer case 44 and via a hollow shaft. The drive through the crankshaft of the engine is guided via the sun gear 421 into the collective gear 42, which is coupled to the preceding collective gear 41.
Das Hohlrad 413 ist durch den Freilauf 461 gegen den Rückwärtslauf gesperrt, so daß der Antrieb zunächst nur über den Planetensteg 422 weitergeleitet wird, und zwar untersetzt.The ring gear 413 is blocked by the freewheel 461 against reverse running, so that the drive is initially passed on only via the planetary web 422, and is reduced.
Die Art der Koppelung und die konstruktiv wählbare Auslegung der Planetenradsätze 41 und 42 beeinflussen den Untersetzungsgrad und den Stellbereich der einzelnen Untersetzungs-Phasen. Das Rad 422 leitet die entsprechend verstärkte Kraft über das Sonnenrad 431 in ein weiteres Sammelgetriebe 43, dessen Hohlrad 433 dem Antriebsmoment ebenfalls nicht ausweichen kann, bedingt durch den Freilauf 463. Die
resultierende, wiederum verstärkte Kraft wird somit auf den Planetensteg 441 des Verteilergetriebes 44 und auf das Sonnenrad 451 des inneren Sammelgetriebes 45 übertragen. Die Kraftübertragung geschieht im Leerlauf, solange das Hohl 453 und das damit fest verbundene Hohlrad 443 rückwärts ausweichen können.The type of coupling and the constructively selectable design of the planetary gear sets 41 and 42 influence the degree of reduction and the adjustment range of the individual reduction phases. The wheel 422 conducts the correspondingly increased force via the sun gear 431 into a further collective gear 43, the ring gear 433 of which likewise cannot avoid the drive torque, due to the freewheel 463 The resulting, in turn, increased force is thus transmitted to the planetary web 441 of the transfer case 44 and to the sun gear 451 of the inner gear set 45. The power transmission takes place at idle as long as the hollow 453 and the ring gear 443 firmly connected to it can move backwards.
Bei einem Betriebszustand, bei dem die Motor-Drehzahl konstant ist, wird mit der Abbremsung des Sonnenrades 442 durch die pneumatische Einrichtung 3 auch der Rückwärtslauf der Hohlräder 443, 453 gedrosselt, mit der Folge, daß das verstärkte Antriebsmoment über 441 schließlich auf das Abtriebsrad 452 und das nicht dargestellte Wendegetriebe übertragen wird. Sobald die Winkelgeschwindigkeit w(443) = 0 ist, schaltet der Freilauf 464 ein, und das Hohlrad 433 wird mitgeführt. Dabei wird die Abtriebsdrehzahl weiter erhöht.In an operating state in which the engine speed is constant, with the braking of the sun gear 442 by the pneumatic device 3, the reverse rotation of the ring gears 443, 453 is also throttled, with the result that the increased drive torque is finally 441 to the output gear 452 and the reversing gear, not shown, is transmitted. As soon as the angular velocity w (443) = 0, the freewheel 464 switches on and the ring gear 433 is carried along. The output speed is increased further.
Bei weiterer Abbremsung des Sonnenrades 442 - synchron zur Beschleunigung des Fahrzeuges -,und zwar von dem Punkt an, in dem w(433) = w(423) > 0 ist, wird über den dann eingeschal¬teten Freilauf 462 und über den Planetenradsatz 42 das Hohlrad 413 aus der Sperre des Freilaufes 461 gelöst und ebenfalls angetrieben.When the sun wheel 442 is braked further - synchronously with the acceleration of the vehicle - from the point at which w (433) = w (423)> 0, the freewheel 462 then switched on and the planetary gear set 42 are used the ring gear 413 released from the lock of the freewheel 461 and also driven.
Im Fall w(441) = w(442) ist auch w(441) = w(443), und wegen der nunmehr eingeschalteten, wirksamen Verbindung aller äußeren
Zentralräder ist somit auch w(421) = w(423) usw., analog für alle Räder; d.h. alle Planetenradsätze rotieren wie eine geschlossene Welle (Übersetzung 1:1).In the case w (441) = w (442) there is also w (441) = w (443), and because of the now active connection of all external ones Central wheels is thus also w (421) = w (423) etc., analogously for all wheels; ie all planetary gear sets rotate like a closed shaft (ratio 1: 1).
Im Prinzip können beliebig viele, insbesondere auch weniger Untersetzungsstufen kombiniert werden. Ein 2-stufiges Ausführungsbeispiel ergibt sich z.B. aus dem Schema der Fig. 4 ohne die Planetenradsätze 41 und 42. Dabei werden zwar jeweils mehr Planetenradsätze benötigt als bei Verwendung von Bremsen und Kupplungen, d.h. bei alternativer Schaltung einzelner Stufen, aber dafür ist - mit Ausnahme des Sonnenrades 442, das den Verdichter 32 antreibt - die Drehzahl aller Zentralräder, vor allem der äußeren, masse-reichsten Zentralräder, und der Planetenträger bis zur Übersetzung 1 : 1 stets kleiner als die Motor-Drehzahl; die Relativgeschwindigkeit der einzelnen Räder verschwindet im Zuge der Fahrzeug-Beschleunigung, und die Aktivierung bzw. Deaktivierung der einzelnen Untersetzungsstufen erfolgt autonom, d.h. ohne äußere Hilfsmittel, allein abhängig vom Drehzahl-Verhältnis zwischen Kurbelwelle und Verdichter je nach Stellung der Drosseslventile D1, D2, D3.In principle, any number of reduction stages, in particular fewer reduction stages, can be combined. A 2-stage embodiment results e.g. 4 without the planetary gear sets 41 and 42. More planetary gear sets are required in each case than when using brakes and clutches, i.e. with alternative switching of individual stages, but for this - with the exception of the sun gear 442, which drives the compressor 32 - the speed of all central gears, especially the outer, most massive central gears, and the planet carrier up to the ratio 1: 1 is always lower than that Engine speed; the relative speed of the individual wheels disappears in the course of vehicle acceleration, and the activation or deactivation of the individual reduction stages takes place autonomously, i.e. without external aids, solely depending on the speed ratio between the crankshaft and compressor, depending on the position of the throttle valves D1, D2, D3.
Die phasenweise Überlagerung der einzelnen Untersetzungsstufen ergibt gegenüber der Schaltung alternativer Stufen darüber hinaus den Vorteil, daß ein Phasenwechsel zusätzliche Aktivierung oder Deaktivierung einer Stufe bei stetigem, insbesondere bei konstantem Verlauf der Motor-Drehzahl
möglich ist.The phase-wise superimposition of the individual reduction stages also has the advantage over the switching of alternative stages that a phase change additionally activates or deactivates a stage with a constant, in particular with a constant course of the engine speed is possible.
Unabhängig von der Drehmoment-Verstärkung ist ein anderer wesentlicher Punkt für den Einsatz in der Praxis zu berücksichtigen. Der Antrieb des Verdichters 32 über ein Verteilergetriebe, z.B. 2 oder 44, setzt grundsätzlich die Bremswirkung des Abtriebs voraus; und die ist dann, wenn das Fahrzeug angetrieben werden soll, auch immer vorhanden. Soll jedoch das Fahrzeug abgebremst werden, insbesondere bergab, wechseln Antrieb und Abtrieb insofern die Seiten. Um die Bremskraft des Motors im laufenden Betrieb und im Stillstand trotzdem nutzen zu können, muß die Ausweichbewegung des Getriebes für diesen Fall mit konstruktiven Mitteln begrenzt werden. Am einfachsten geschieht dies mit einem speziellen Freilauf, z.B. 47, der den Vorlauf der äußeren Zentralräder und somit der Abtriebswelle verhindert.Regardless of the torque gain, another important point for use in practice has to be considered. The drive of the compressor 32 via a transfer case, e.g. 2 or 44, assumes the braking effect of the output; and it is always there when the vehicle is to be driven. However, if the vehicle is to be braked, especially downhill, the drive and output switch sides. In order to still be able to use the braking force of the engine during operation and at a standstill, the evasive movement of the gearbox must be limited in this case by constructional means. The easiest way to do this is with a special freewheel, e.g. 47, which prevents the advance of the outer central wheels and thus the output shaft.
Damit das Fahrzeug anderseits auch mit einer Übersetzung größer als 1 : 1 bzw. bei stehendem Motor bewegt werden kann, z.B. zum Abschleppen oder Starten durch Anschieben, wird dieser Freilauf mit einem von außen lösbaren Sperrelement, z.B. 48, versehen. Eine separate Parksperre ist damit nicht erforderlich.
So that the vehicle can also be moved with a gear ratio greater than 1: 1 or with the engine stopped, e.g. for towing or starting by pushing, this freewheel is equipped with a locking element that can be released from the outside, e.g. 48, provided. A separate parking lock is therefore not necessary.