DE102014218538A1 - Compressor of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kompressor (1.1, 1.2) eines Verbrennungsmotors, mit einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehenden Antriebsrad (3), mit einer Antriebswelle (4), mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad (5), mit einer Verdichterwelle (6), und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (7), wobei der Rotor (7) über ein als ein einfaches Planetengetriebe (PG) mit einem Sonnenrad (S), einem mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T), und einem Hohlrad (R) ausgebildeten Überlagerungsgetriebe (8) mit der Antriebswelle (4) sowie mit der Verdichterwelle (6) in Triebverbindung steht, und wobei die Antriebswelle (4) drehfest mit dem Planetenträger (T) verbunden ist, der Rotor (7) der Elektromaschine (EM) drehfest mit dem Hohlrad (R) verbunden ist, und die Verdichterwelle (6) mit dem Sonnenrad (S) in Triebverbindung steht. Zur Vermeidung eines Motorbetriebs der Elektromaschine (EM) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem Überlagerungsgetriebe (8) eine Hochtriebstufe (10) mit einer besonders niedrigen Übersetzung (iH << 1) antriebstechnisch nachgeordnet ist, deren Eingangselement (11) drehfest mit dem Sonnenrad (S) des Überlagerungsgetriebes (8) verbunden ist, und deren Ausgangselement (12) drehfest mit der Verdichterwelle (6) verbunden ist.The invention relates to a compressor (1.1, 1.2) of an internal combustion engine, having a drive wheel (3) drivingly connected to the crankshaft of the internal combustion engine, having a drive shaft (4) with a compressor wheel (5) rotatably mounted in the intake tract of the internal combustion engine Compressor shaft (6), and with an operable as a motor and generator electric machine (EM) with a rotor (7), wherein the rotor (7) via a as a simple planetary gear (PG) with a sun gear (S), a plurality of planet wheels ( P) carrying planet carrier (T), and a ring gear (R) formed superposition gear (8) with the drive shaft (4) and with the compressor shaft (6) is drivingly connected, and wherein the drive shaft (4) rotationally fixed to the planet carrier (T) is connected, the rotor (7) of the electric machine (EM) rotatably connected to the ring gear (R), and the compressor shaft (6) with the sun gear (S) is in drive connection. To avoid engine operation of the electric machine (EM), the invention provides that the superposition gearing (8) is followed by a high-drive stage (10) with a particularly low gear ratio (iH << 1) whose input element (11) is rotationally fixed to the sun gear (S ) of the superposition gear (8), and whose output member (12) is non-rotatably connected to the compressor shaft (6).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor eines Verbrennungsmotors, mit einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehenden Antriebsrad, mit einer Antriebswelle, mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad, mit einer Verdichterwelle, und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine mit einem Rotor, wobei der Rotor über ein als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildeten Überlagerungsgetriebe mit der Antriebswelle sowie mit der Verdichterwelle in Triebverbindung steht, und wobei die Antriebswelle drehfest mit dem Planetenträger verbunden ist, der Rotor der Elektromaschine drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, und die Verdichterwelle mit dem Sonnenrad in Triebverbindung steht.The invention relates to a compressor of an internal combustion engine, with a drive wheel in drive connection with the crankshaft of the internal combustion engine, with a drive shaft, with a compressor wheel rotatably arranged in the intake tract of the internal combustion engine, with a compressor shaft, and with an electric machine having a rotor which can be operated as a motor and generator in which the rotor is drivingly connected to the drive shaft and to the compressor shaft via a planet carrier supported as a simple planetary gear having a sun gear, a planet carrier supporting a plurality of planetary gears, and a ring gear, and wherein the drive shaft is rotatably connected to the planet carrier; Electric machine is rotatably connected to the ring gear, and the compressor shaft is in drive connection with the sun gear.

In seiner einfachsten Bauart weist ein Kompressor ein beispielsweise über einen Riementrieb oder Kettentrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehendes Antriebsrad sowie ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Verdichterrad auf, welche über eine Verdichterwelle drehfest miteinander verbunden sind. Somit treibt das von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetriebene Antriebsrad unmittelbar das im Ansaugtrakt angeordnete Verdichterrad an, welches die Ansaugluft verdichtet und somit die Füllung des Verbrennungsmotors erhöht. Die erhöhte Füllung kann zur Leistungssteigerung und/oder zur Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors genutzt werden. Nachteilig an einem derart aufgeladenen Verbrennungsmotor ist eine relativ niedrige Drehzahl des Verdichterrades bei niedriger Motordrehzahl, was mit einem relativ niedrigen Ladedruck des Verbrennungsmotors verbunden ist, sowie eine relativ hohe Drehzahl des Verdichterrades bei hoher Motordrehzahl, was häufig zu einem zu hohen Ladedruck des Verbrennungsmotors führt, der über ein im Ansaugtrakt angeordnetes Ablassventil abgesenkt werden muss.In its simplest design, a compressor has a drive wheel, for example via a belt drive or chain drive with the crankshaft of the internal combustion engine in driving connection and a compressor wheel rotatably mounted in the intake tract of the internal combustion engine, which are rotatably connected to each other via a compressor shaft. Thus, the drive wheel driven by the crankshaft of the internal combustion engine directly drives the compressor wheel arranged in the intake tract, which compresses the intake air and thus increases the filling of the internal combustion engine. The increased charge can be used to increase performance and / or reduce the specific fuel consumption of the internal combustion engine. A disadvantage of such a supercharged internal combustion engine is a relatively low speed of the compressor wheel at low engine speed, which is associated with a relatively low boost pressure of the internal combustion engine, and a relatively high speed of the compressor at high engine speed, which often leads to excessive boost pressure of the internal combustion engine, which must be lowered via a discharge valve arranged in the intake valve.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird in der US 8,397,502 B2 ein Kompressor für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, bei dem das Antriebsrad und das Verdichterrad anstelle einer unmittelbaren Verbindung mittels einer Rotorwelle über ein Überlagerungsgetriebe und eine Elektromaschine miteinander in Triebverbindung stehen. In einer ersten Ausführungsform des Kompressors gemäß der dortigen 1 ist das Überlagerungsgetriebe als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildet. Das Antriebsrad ist über eine Antriebswelle drehfest mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes verbunden. Das Verdichterrad ist über eine Verdichterwelle drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden. Die Elektromaschine ist koaxial über der Verdichterwelle angeordnet, und der Rotor der Elektromaschine ist drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden. Über das einstellbare Antriebs- oder Widerstandsmoment im Motorbetrieb oder Generatorbetrieb der Elektromaschine kann bei diesem bekannten Kompressor die Drehzahl des Verdichterrades relativ zu der Drehzahl des Antriebsrades verstellt werden. Insbesondere kann der Ladedruck des Verbrennungsmotors hierdurch bei niedriger Motordrehzahl erhöht und bei hoher Motordrehzahl reduziert werden. Um die im Motorbetrieb der Elektromaschine erforderliche elektrische Leistung zu erzeugen, ist eine vorwiegend als Generator genutzte zweite Elektromaschine koaxial über der Antriebswelle angeordnet, deren Rotor unmittelbar drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist.To avoid these disadvantages is in the US 8,397,502 B2 a compressor for an internal combustion engine is proposed in which the drive wheel and the compressor wheel are in drive connection with each other instead of a direct connection by means of a rotor shaft via a superposition gear and an electric machine. In a first embodiment of the compressor according to the local there 1 the superposition gear is formed as a simple planetary gear with a sun gear, a planetary carrier carrying a plurality of planet gears, and a ring gear. The drive wheel is rotatably connected via a drive shaft with the planet carrier of the superposition gear. The compressor is rotatably connected via a compressor shaft with the sun gear of the superposition gear. The electric machine is arranged coaxially over the compressor shaft, and the rotor of the electric machine is rotatably connected to the ring gear of the superposition gear. About the adjustable drive or resistive torque during engine operation or generator operation of the electric machine, the speed of the compressor wheel can be adjusted relative to the rotational speed of the drive wheel in this known compressor. In particular, the boost pressure of the internal combustion engine can thereby be increased at low engine speed and reduced at high engine speed. In order to generate the electrical power required in the engine operation of the electric machine, a second electric machine used predominantly as a generator is arranged coaxially over the drive shaft, the rotor of which is connected directly to the drive shaft in a rotationally fixed manner.

Ein weiterer derartiger Kompressor eines Verbrennungsmotors mit einem ähnlichen Überlagerungsgetriebe ist aus der DE 10 2012 009 049 A1 bekannt. Bei diesem Kompressor ist das Überlagerungsgetriebe ebenfalls als ein einfaches Planetengetriebe ausgebildet. Nun ist das Antriebsrad jedoch über eine als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle, die drehbar auf einer zentralen Triebwelle gelagert ist, drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden. Das Verdichterrad ist wie bei dem zuvor beschriebenen Stand der Technik über eine Verdichterwelle drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden. Ein Zusatzantrieb, bei dem es sich um eine Elektromaschine handeln kann, ist axial außerhalb des Antriebsrades angeordnet, und der Rotor des Zusatzantriebs ist über die zentrale Triebwelle drehfest mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes verbunden. Dieser bekannte Kompressor weist gegenüber dem aus der US 8,397,502 B2 bekannten Kompressor zwar eine niedrigere Ruheübersetzung zwischen dem Antriebsrad und dem Verdichterrad auf, hat jedoch bauartbedingt eine Umkehrung der Drehrichtung zwischen dem Antriebsrad und dem Verdichterrad zur Folge.Another such compressor of an internal combustion engine with a similar superposition gear is from the DE 10 2012 009 049 A1 known. In this compressor, the superposition gear is also designed as a simple planetary gear. However, the drive wheel is connected via a drive shaft designed as a hollow shaft, which is rotatably mounted on a central drive shaft, rotatably connected to the ring gear of the superposition gear. The compressor is rotatably connected to the sun gear of the superposition gearbox as in the prior art described above via a compressor shaft. An auxiliary drive, which may be an electric machine, is arranged axially outside of the drive wheel, and the rotor of the auxiliary drive is rotatably connected via the central drive shaft with the planet carrier of the superposition gear. This known compressor has opposite to that from the US 8,397,502 B2 Although known compressor although a lower quiet ratio between the drive wheel and the compressor wheel, but due to the design, a reversal of the direction of rotation between the drive wheel and the compressor wheel result.

Aufgrund der bei den beiden bekannten Ausführungsformen des Kompressors nach relativ hohen Ruheübersetzung zwischen dem Antriebsrad und dem Verdichterrad ist für die Verstellung der Drehzahl des Verdichterrades, nachfolgend Verdichterdrehzahl genannt, sowohl ein Generatorbetrieb als auch ein Motorbetrieb der Elektromaschine erforderlich. Hierzu kann entweder ein elektrischer Energiespeicher mit hoher Ladungskapazität oder, wie bei der Ausführung des Kompressors gemäß der US 8 397 502 B2 , eine vorwiegend als Generator genutzte zweite Elektromaschine vorgesehen sein. Dies ist jedoch nachteilig mit einem hohen apparativen sowie steuerungstechnischen Aufwand verbunden, und führt wie bisher zu vergleichsweise hohen Herstellkosten.Due to the known in the two known embodiments of the compressor for relatively high quiet ratio between the drive wheel and the compressor for both the adjustment of the speed of the compressor wheel, hereinafter called compressor speed, both a generator operation and a motor operation of the electric machine required. For this purpose, either an electrical energy store with high charge capacity or, as in the embodiment of the compressor according to the US 8 397 502 B2 be provided a predominantly used as a generator second electric machine. However, this is disadvantageous with a high apparatus and control engineering effort connected, and leads as before to relatively high production costs.

Der Erfindung legt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor der eingangs genannten Bauart vorzuschlagen, bei dem für die Verstellung der Verdichterdrehzahl ein Generatorbetrieb der Elektromaschine ausreicht und somit ein Motorbetrieb einer Elektromaschine nicht mehr erforderlich ist.The invention therefore has for its object to propose a compressor of the aforementioned type, in which sufficient for the adjustment of the compressor speed, a generator operation of the electric machine and thus an engine operation of an electric machine is no longer required.

Diese Aufgabe ist durch einen Kompressor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kompressors sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a compressor with the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the compressor according to the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht demnach aus von einem Kompressor eines Verbrennungsmotors, mit einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehenden Antriebsrad, mit einer Antriebswelle, mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad, mit einer Verdichterwelle, und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine mit einem Rotor, wobei der Rotor über ein als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildeten Überlagerungsgetriebe mit der Antriebswelle sowie mit der Verdichterwelle in Triebverbindung steht, und wobei die Antriebswelle drehfest mit dem Planetenträger verbunden ist, der Rotor der Elektromaschine drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, und die Verdichterwelle mit dem Sonnenrad in Triebverbindung steht.Accordingly, the invention is based on a compressor of an internal combustion engine, with a driving wheel in driving connection with the crankshaft of the internal combustion engine, with a drive shaft, with a compressor wheel which is rotatably arranged in the intake tract of the internal combustion engine, with a compressor shaft, and with an electric machine which can be operated as motor and generator with a rotor, wherein the rotor is drivingly connected to the drive shaft and to the compressor shaft via a planet carrier supported as a simple planetary gear with a sun gear, a planetary carrier carrying a plurality of planetary gears, and a ring gear, and wherein the drive shaft is non-rotatably connected to the planet carrier, the rotor of the electric machine is rotatably connected to the ring gear, and the compressor shaft is in drive connection with the sun gear.

Bei einem derartig ausgebildeten Kompressor kann die Verdichterdrehzahl ausgehend von einem stillstehenden Rotor der Elektromaschine gegenüber der Drehzahl des Antriebsrades, nachfolgend Antriebsdrehzahl genannt, im Motorbetrieb der Elektromaschine durch eine Drehung des Rotors entgegen der Drehrichtung des Antriebsrades erhöht sowie im Generatorbetrieb der Elektromaschine durch eine Drehung des Rotors in der Drehrichtung des Antriebsrades reduziert werden.In such a compressor formed, the compressor speed, starting from a stationary rotor of the electric machine relative to the rotational speed of the drive wheel, hereinafter called drive speed increases in motor operation of the electric machine by rotation of the rotor against the direction of rotation of the drive wheel and generator operation of the electric machine by rotation of the rotor be reduced in the direction of rotation of the drive wheel.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist bei diesem Kompressor zusätzlich vorgesehen, dass dem Überlagerungsgetriebe eine Hochtriebstufe mit einer besonders niedrigen Übersetzung antriebstechnisch nachgeordnet ist, deren Eingangselement drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, und deren Ausgangselement drehfest mit der Verdichterwelle verbunden ist.To solve the problem set is additionally provided in this compressor that the superposition gear a high-drive stage is arranged downstream of a particularly low gear ratio whose input element is rotatably connected to the sun gear of the superposition gear, and the output member is rotatably connected to the compressor shaft.

Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung dieses Kompressors, die in einer dem Überlagerungsgetriebe antriebstechnisch nachgeordneten Hochtriebstufe mit einer besonders niedrigen Übersetzung besteht, ist die Verdichterdrehzahl gegenüber der Antriebsdrehzahl permanent so weit erhöht, dass zur Verstellung der Verdichterdrehzahl der durch den Generatorbetrieb der Elektromaschine abgedeckte Verstellbereich ausreicht. Auf den Motorbetrieb der Elektromaschine und den damit verbundenen Energieverbrauch kann daher vorteilhaft verzichtet werden. Ein elektrischer Energiespeicher und/oder eine an der Antriebswelle angeordnete, vorwiegend als Generator genutzte zweite Elektromaschine können somit eingespart werden, wodurch die Systemkosten und der Bauraumbedarf für den Kompressor deutlich reduziert sind.Due to the inventive development of this compressor, which consists in a superordinate transmission drive downstream hydraulic stage with a particularly low gear ratio, the compressor speed is permanently increased so far relative to the drive speed that sufficient for adjusting the compressor speed of the covered by the generator operation of the electric adjustment range. On the engine operation of the electric machine and the associated energy consumption can therefore be advantageously dispensed with. An electrical energy store and / or arranged on the drive shaft, mainly used as a generator second electric machine can thus be saved, whereby the system cost and space requirements for the compressor are significantly reduced.

Zur Erzielung einer niedrigen Übersetzung in Verbindung mit kompakten Abmessungen ist die Hochtriebstufe bevorzugt als ein einfaches Planetengetriebe PG mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildet, wobei dieses Planetengetriebe PG' koaxial über der Verdichterwelle angeordnet ist, wobei dessen Planetenträger das Eingangselement der Hochtriebstufe bildet und drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, wobei dessen Hohlrad gehäusefest arretiert ist, und wobei dessen Sonnenrad das Ausgangselement der Hochtriebstufe bildet sowie drehfest mit der Verdichterwelle verbunden ist. Die Übersetzung iH dieser Hochtriebstufe ergibt sich aus der Formel iH = 1/(1 – i0'), wobei mit i0' die Standübersetzung des Planetengetriebes PG bezeichnet ist. Mit einer verzahnungstechnisch maximal möglichen Standübersetzung von i0' = –4,0 ist mit der derart ausgebildeten Hochtriebstufe somit eine Übersetzung von iH = 0,2 erzielbar.To achieve a low gear ratio in conjunction with compact dimensions, the high-drive stage is preferably designed as a simple planetary gear PG with a sun gear, a planet carrier carrying a plurality of planetary gears, and a ring gear, said planetary gear PG 'coaxially disposed over the compressor shaft, wherein the planet carrier the Input element of the high-drive stage forms and rotatably connected to the sun gear of the superposition gear, wherein the ring gear is fixed to the housing fixed, and wherein the sun gear forms the output element of the high-drive stage and is rotatably connected to the compressor shaft. The translation i H of this high-drive stage results from the formula i H = 1 / (1-i 0 '), where i 0 ' denotes the state translation of the planetary gear PG. With a toothing technology maximum possible stationary ratio of i 0 '= -4.0 thus with the thus formed high-stage stage, a translation of i H = 0.2 can be achieved.

Das Überlagerungsgetriebe und die Hochtriebstufe weisen vorteilhaft baugleiche Bauteile auf, wie Planetenräder, Hohlräder, Sonnenräder und Planetenträger, da die Herstellungskosten des Kompressors durch die Verwendung von Gleichteilen deutlich reduziert werden kann. Durch die baugleiche Ausführung ergibt sich zwangsläufig auch, dass die Standübersetzung i0 des Überlagerungsgetriebes und die Standübersetzung i0' der Hochtriebstufe identisch sind (i0 = i0').The superposition gear and the high-drive stage advantageously have identical components, such as planetary gears, ring gears, sun gears and planet carrier, since the manufacturing cost of the compressor can be significantly reduced by the use of identical parts. The structurally identical design also inevitably results in that the stationary gear ratio i 0 of the superposition gear unit and the stationary gear ratio i 0 'of the high-drive stage are identical (i 0 = i 0 ').

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kompressors ist vorgesehen, dass zwischen dem Rotor der Elektromaschine oder dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes und der Antriebswelle eine Freilaufkupplung angeordnet ist, die bei einer Rotordrehzahl nEM der Elektromaschine, welche kleiner als die Antriebsdrehzahl nA ist (nEM < nA), selbsttätig öffnet, und die bei einer Rotordrehzahl nEM der Elektromaschine, welche größer oder gleich der Antriebsdrehzahl nA ist (nEM ≥ nA), selbsttätig schließt.According to an advantageous embodiment of the compressor according to the invention it is provided that between the rotor of the electric machine or the ring gear of the superposition gear and the drive shaft, a one-way clutch is arranged at a rotor speed n EM of the electric machine, which is smaller than the input rotational speed n A (n EM < n A ), automatically opens, and at a rotor speed n EM of the electric machine, which is greater than or equal to the input speed n A (n EM ≥ n A ), automatically closes.

Durch die Freilaufkupplung wird verhindert, dass der Rotor der Elektromaschine schneller als die Antriebswelle dreht. Da das Planetengetriebe des Überlagerungsgetriebes bei geschlossener Freilaufkupplung im Block umläuft, entspricht die Verdichterdrehzahl nV demnach zumindest dem 1/iH-fachen der Antriebsdrehzahl. Damit entfällt ein kleiner Teil des Verstellbereiches, in dem die Drehzahl des Sonnenrades des Überlagerungsgetriebes und damit die Verdichterdrehzahl mit abnehmendem Widerstandsmoment der Elektromaschine gegen Null gehen. Auf diesen Teil des Verstellbereiches kann aber leicht verzichtet werden, da er in der Praxis ohnehin kaum genutzt wird. Dagegen wird durch die Freilaufkupplung vorteilhaft verhindert, dass die Verdichterdrehzahl bei unabsichtlich kraftloser Elektromaschine, wie zum Beispiel beim Auftreten einer Störung an der Elektromaschine oder an deren Steuerung, auf Null absinkt, und der Verbrennungsmotor aufgrund des nicht mehr angetriebenen Verdichterrades einen deutlichen Leistungsverlust aufweist.The one-way clutch prevents the rotor of the electric machine from rotating faster than the drive shaft. Because the planetary gear of the superposition gear in the closed one-way clutch rotates in the block, the compressor speed n V corresponding to at least the 1 / i H times the drive speed. This eliminates a small part of the adjustment, in which the speed of the sun gear of the superposition gear and thus the compressor speed go with decreasing resistance torque of the electric machine to zero. However, this part of the adjustment range can easily be dispensed with since it is hardly ever used in practice anyway. In contrast, it is advantageously prevented by the one-way clutch that the compressor speed drops in unintentionally powerless electric machine, such as the occurrence of a fault in the electric machine or their control to zero, and the internal combustion engine has a significant loss of power due to the no longer driven compressor wheel.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigtTo further illustrate the invention, the description is accompanied by a drawing of an embodiment. In this shows

1 eine Basisausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Kompressors in einer schematischen Längsansicht, 1 a basic embodiment of a compressor according to the invention in a schematic longitudinal view,

2 eine Weiterbildung des Kompressors gemäß 1 in einer schematischen Längsansicht, und 2 a development of the compressor according to 1 in a schematic longitudinal view, and

3 eine bekannte Ausführungsform eines Kompressors in einer schematischen Längsansicht. 3 a known embodiment of a compressor in a schematic longitudinal view.

Ein im Prinzip aus der US 8,397,592 B2 bekannter Kompressor 1.3 für eine Verbrennungsmotor ist in 3 in einem schematischen Längsansicht dargestellt. Der Kompressor 1.3 weist einen über ein Umschlingungsmittel 2, wie einen Zahnriemen oder eine Kette, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehendes Antriebsrad 3 mit einer Antriebswelle 4, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Verdichterrad 5 mit einer Verdichterwelle 6, und eine als Motor und Generator betreibbare Elektromaschine EM mit einem Rotor 7. Die Antriebswelle 4, die Verdichterwelle 6 und der Rotor 7 der Elektromaschine EM stehen über ein Überlagerungsgetriebe 8 miteinander in Triebverbindung. Das Überlagerungsgetriebe 8 ist als ein einfaches Planetengetriebe PG ausgebildet, mit einem Sonnenrad S, einem mehrere Planetenräder P tragenden Planetenträger T, und einem Hohlrad R. Die Antriebswelle 4 ist drehfest mit dem Planetenträger T des Überlagerungsgetriebes 8 verbunden. Die Elektromaschine EM ist koaxial über der Antriebswelle 4 angeordnet, und der Rotor 7 der Elektromaschine EM ist über einen drehbar auf der Antriebswelle 4 gelagerten Hohlwellenabschnitt 9 drehfest mit dem Hohlrad R des Überlagerungsgetriebes 8 verbunden. Die Verdichterwelle 6 ist drehfest mit dem Sonnenrad S des Überlagerungsgetriebes 8 verbunden.In principle, from the US 8,397,592 B2 known compressor 1.3 for an internal combustion engine is in 3 shown in a schematic longitudinal view. The compressor 1.3 has one about a belt 2 such as a toothed belt or a chain, in drive connection with the crankshaft of the internal combustion engine in drive connection 3 with a drive shaft 4 , A compressor wheel rotatably arranged in the intake tract of the internal combustion engine 5 with a compressor shaft 6 , and an electric motor EM operable as a motor and generator with a rotor 7 , The drive shaft 4 , the compressor shaft 6 and the rotor 7 The electric machine EM are about a superposition gearbox 8th in communication with each other. The superposition gearbox 8th is formed as a simple planetary gear PG, with a sun gear S, a planetary carrier P carrying several planet carrier T, and a ring gear R. The drive shaft 4 is non-rotatable with the planet carrier T of the superposition gear 8th connected. The electric machine EM is coaxial with the drive shaft 4 arranged, and the rotor 7 the electric machine EM is rotatable about the drive shaft 4 mounted hollow shaft section 9 rotatably with the ring gear R of the superposition gear 8th connected. The compressor shaft 6 is non-rotatable with the sun gear S of the superposition gear 8th connected.

Bei einem derartig ausgebildeten Kompressor 1.3 kann die Verdichterdrehzahl nV (Drehzahl des Verdichterrades 5) ausgehend von einem stillstehenden Rotor 7 der Elektromaschine EM gegenüber der Antriebsdrehzahl nA (Drehzahl des Antriebsrades 3) im Motorbetrieb der Elektromaschine EM durch eine Drehung des Rotors 7 entgegen der Drehrichtung des Antriebsrades 3 erhöht und im Generatorbetrieb der Elektromaschine EM durch eine Drehung des Rotors 7 in der Drehrichtung des Antriebsrades 3 reduziert werden. Bei stillstehendem Rotor 7 der Elektromaschine EM ist die zwischen dem Antriebsrad 3 und dem Verdichterrad 5 bestehende Übersetzung durch die Ruheübersetzung iR = 1/(1 – i0) des Überlagerungsgetriebes 8 gegeben, wobei mit i0 die Standübersetzung des Planetengetriebes PG bezeichnet ist. Für den Motorbetrieb der Elektromaschine EM ist jedoch ein elektrischer Energiespeicher mit hoher Ladungskapazität oder eine an der Antriebswelle 4 angeordnete, vorwiegend als Generator genutzte zweite Elektromaschine erforderlich, was nachteilig mit einem hohen apparativen und steuerungstechnischen Aufwand verbunden ist.In such a trained compressor 1.3 can the compressor speed n V (speed of the compressor wheel 5 ) starting from a stationary rotor 7 the electric machine EM against the drive speed n A (speed of the drive wheel 3 ) in the engine operation of the electric machine EM by a rotation of the rotor 7 contrary to the direction of rotation of the drive wheel 3 increases and in the generator mode of the electric machine EM by a rotation of the rotor 7 in the direction of rotation of the drive wheel 3 be reduced. With the rotor stationary 7 The electric machine EM is the one between the drive wheel 3 and the compressor wheel 5 existing translation by the idle ratio i R = 1 / (1 - i 0 ) of the superposition gearing 8th given, where i 0, the state ratio of the planetary gear PG is designated. For the engine operation of the electric machine EM, however, is an electrical energy storage device with high charge capacity or on the drive shaft 4 arranged, mainly used as a generator second electric machine required, which is disadvantageously associated with a high equipment and control engineering effort.

Eine als Basisausführung ansehbare erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kompressors 1.1 eines Verbrennungsmotors ist in 1 in einer schematischen Längsansicht dargestellt. Der erfindungsgemäße Kompressor 1.1 unterscheidet sich von dem bekannten Kompressor gemäß 3 dadurch, dass dem Überlagerungsgetriebe 8 eine Hochtriebstufe 10 mit einer besonders niedrigen Übersetzung (iH << 1) antriebstechnisch nachgeordnet ist. Bei dieser Hochtriebstufe 10 ist das Eingangselement 11 drehfest mit dem Sonnenrad S des Überlagerungsgetriebes 8 verbunden, und das Ausgangselement 12 der Hochtriebstufe 10 ist drehfest mit der Verdichterwelle 6 verbunden.A view as basic version first embodiment of a compressor according to the invention 1.1 an internal combustion engine is in 1 shown in a schematic longitudinal view. The compressor according to the invention 1.1 differs from the known compressor according to 3 in that the superposition gearing 8th a high-powered stage 10 with a particularly low gear ratio (i H << 1) is subordinate drive technology. At this high-powered stage 10 is the input element 11 rotatably with the sun gear S of the superposition gear 8th connected, and the output element 12 the high-powered stage 10 is non-rotatable with the compressor shaft 6 connected.

Die Hochtriebstufe 10 ist als ein einfaches Planetengetriebe PG mit einem Sonnenrad S', einem mehrere Planetenräder P' tragenden Planetenträger T', und einem Hohlrad R' ausgebildet, das koaxial über der Verdichterwelle 6 angeordnet ist. Der Planetenträger T' des Planetengetriebes PG' der Hochtriebstufe 10 bildet das Eingangselement 11 der Hochtriebstufe 10 und ist drehfest mit dem Sonnenrad S des Überlagerungsgetriebes 8 verbunden. Das Hohlrad R' des Planetengetriebes PG' ist gehäusefest arretiert. Das Sonnenrad S' des Planetengetriebes PG' bildet das Ausgangselement 12 der Hochtriebstufe 10 und ist drehfest mit der Verdichterwelle 6 verbunden.The high-powered stage 10 is formed as a simple planetary gear PG with a sun gear S ', a planet carrier T' carrying a plurality of planet gears P ', and a ring gear R', which is coaxial with the compressor shaft 6 is arranged. The planet carrier T 'of the planetary gear PG' of the high-drive stage 10 forms the input element 11 the high-powered stage 10 and is non-rotatable with the sun gear S of the superposition gear 8th connected. The ring gear R 'of the planetary gear PG' is fixed to the housing. The sun gear S 'of the planetary gear PG' forms the output element 12 the high-powered stage 10 and is non-rotatable with the compressor shaft 6 connected.

Durch die niedrige Übersetzung iH der Hochtriebstufe 10, die sich mit der Standübersetzung i0' des Planetengetriebes PG' aus der Formel iH = 1/(1 – i0') ergibt und bei einer maximal möglichen Standübersetzung von i0' = –4,0 den Wert iH = 0,2 aufweist, ist die Verdichterdrehzahl nV gegenüber der Antriebsdrehzahl nA permanent so weit erhöht, dass zur Verstellung der Verdichterdrehzahl nV der durch den Generatorbetrieb der Elektromaschine EM abgedeckte Verstellbereich ausreicht. Die relativ zur Antriebsdrehzahl nA höchste Verdichterdrehzahl nV wird dann bei stillstehendem Rotor 7 der Elektromaschine EM mit der Ruheübersetzung iR = 1/(1 – i0)·1/(1 – i0') erreicht. Davon ausgehend kann die Verdichterdrehzahl nV dann durch eine Reduzierung des in der Elektromaschine EM eingestellten generatorischen Widerstandsmomentes bis auf Null abgesenkt werden.Due to the low ratio i H of the high-drive stage 10 , which corresponds to the stand ratio i 0 'of the planetary gear PG' from the formula i H = 1 / (1 - i 0 ') and at a maximum possible stationary ratio of i 0 ' = -4.0 has the value i H = 0.2, the compressor speed n V is permanently increased so far relative to the input speed n A that for adjusting the Compressor speed n V of the covered by the generator operation of the electric machine EM adjustment range is sufficient. The highest relative to the input speed n A compressor speed n V is then at a stationary rotor 7 the electric machine EM with the quiet ratio i R = 1 / (1 - i 0 ) · 1 / (1 - i 0 ') reached. Based on this, the compressor speed n V can then be reduced to zero by reducing the generator resistance torque set in the electric machine EM.

Zur Erzielung niedriger Herstellungskosten weisen das Überlagerungsgetriebe 8 und die Hochtriebstufe 10 vorteilhaft baugleiche Bauteile auf, nämlich die Planetenräder P, P', die Hohlräder R, R', die Sonnenräder S, S' und die Planetenträger T, T'. Da hierdurch zwangsläufig die Standübersetzungen i0, i0' der betreffenden Planetengetriebe PG, PG' identisch sind (i0 = i0'), ergibt sich die maximal mögliche Übersetzung zwischen dem Antriebsrad 3 und dem Verdichterrad 5 mit i0 = i0' = –4,0 zu iR = 0,04 beziehungsweise 1:25.To achieve low production costs have the superposition gear 8th and the high-powered stage 10 advantageous identical components, namely the planetary gears P, P ', the ring gears R, R', the sun gears S, S 'and the planet carrier T, T'. As a result, the stationary ratios i 0, i 0 'of the respective planetary gear PG, PG' are necessarily identical (i 0 = i 0 ') results in the maximum possible transmission ratio between the drive wheel 3 and the compressor wheel 5 with i 0 = i 0 '= -4.0 to i R = 0.04 or 1:25.

Eine zweite Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Kompressors 1.2, die eine Weiterbildung des Kompressors 1.1 gemäß 1 bildet, ist in 2 in einer schematischen Längsansicht dargestellt.A second embodiment of a compressor constructed in accordance with the features of the invention 1.2 that is a training of the compressor 1.1 according to 1 forms is in 2 shown in a schematic longitudinal view.

Im Unterschied zu dem Kompressor 1.1 gemäß 1 ist nun zwischen dem Hohlrad R des Überlagerungsgetriebes 8 und der Antriebswelle 4 eine Freilaufkupplung 13 angeordnet, die bei einer Rotordrehzahl nEM der Elektromaschine EM, die kleiner ist als die Antriebsdrehzahl nA ist (nEM < nA), selbsttätig öffnet, und die bei einer Rotordrehzahl EM der Elektromaschine EM, welche größer oder gleich ist wie die Antriebsdrehzahl nA, selbsttätig schließt.Unlike the compressor 1.1 according to 1 is now between the ring gear R of the superposition gear 8th and the drive shaft 4 an overrunning clutch 13 arranged, which at a rotor speed n EM of the electric machine EM, which is smaller than the input speed n A (n EM <n A ), automatically opens, and at a rotor speed EM of the electric machine EM, which is greater than or equal to the drive speed n A , closes automatically.

Durch die Freilaufkupplung 13 wird verhindert, dass der Rotor 7 der Elektromaschine EM in der Drehrichtung des Antriebsrades 3 schneller als die Antriebswelle 4 dreht. Hierdurch wird erreicht, dass die Verdichterdrehzahl nV bei störungsbedingt kraftloser Elektromaschine EM nicht auf Null absinkt, was mit einem deutlichen Leistungsverlust des Verbrennungsmotors verbunden wäre. Da das Planetengetriebe PG des Überlagerungsgetriebes 8 bei geschlossener Freilaufkupplung 13 im Block umläuft, entspricht die Verdichterdrehzahl nV demnach zumindest dem (1 – i0')-fachen der Antriebsdrehzahl nA. Auf einen kleinen, jedoch ohnehin kaum genutzten Verstellbereich der Verdichterdrehzahl nV nahe Null muss dann wegen der Freilaufkupplung 13 allerdings verzichtet werden.Through the overrunning clutch 13 will prevent the rotor 7 the electric machine EM in the direction of rotation of the drive wheel 3 faster than the drive shaft 4 rotates. As a result, it is achieved that the compressor speed n V does not drop to zero in the event of a faultless electric motor EM, which would be associated with a significant power loss of the internal combustion engine. Since the planetary gear PG of the superposition gear 8th with closed overrunning clutch 13 circulates in the block, the compressor speed n V thus corresponds to at least the (1 - i 0 ') times the drive speed n A. On a small, but already hardly used adjustment range of the compressor speed n V near zero then has to because of the one-way clutch 13 However, be waived.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1.11.1
Kompressor, erste AusführungsformCompressor, first embodiment
1.21.2
Kompressor, zweite AusführungsformCompressor, second embodiment
1.31.3
Kompressor, bekannte AusführungsformCompressor, known embodiment
22
Umschlingungsmittelendless
33
Antriebsraddrive wheel
44
Antriebswelledrive shaft
55
Verdichterradcompressor
66
Verdichterwellecompressor shaft
77
Rotor der ElektromaschineRotor of the electric machine
88th
ÜberlagerungsgetriebeSuperposition gear
99
HohlwellenabschnittHollow shaft section
1010
HochtriebstufeHigh drive stage
1111
Eingangselement der HochtriebstufeInput element of the high-drive stage
1212
Ausgangselement der HochtriebstufeOutput element of the high-drive stage
1313
FreilaufkupplungOverrunning clutch
EMEM
Elektromaschineelectric machine
i0 i 0
Standübersetzung von Planetengetriebe PGStand translation of planetary gear PG
i0'i 0 '
Standübersetzung von Planetengetriebe PG'Stand translation of planetary gear PG '
iH i H
Übersetzung der HochtriebstufeTranslation of the high-speed stage
iR i R
Ruheübersetzungrest translation
nA n A
AntriebsdrehzahlInput speed
EMEM
Rotordrehzahl der ElektromaschineRotor speed of the electric machine
nV n. V
VerdichterdrehzahlCompressor speed
PP
Planetenrad von Planetengetriebe PGPlanetary gear of planetary gear PG
P'P '
Planetenrad von Planetengetriebe PG'Planetary gear of planetary gear PG '
PGPG
Planetengetriebeplanetary gear
PG'PG '
Planetengetriebeplanetary gear
RR
Hohlrad von Planetengetriebe PGRing gear of planetary gear PG
R'R '
Hohlrad von Planetengetriebe PG'Ring gear of planetary gear PG '
SS
Sonnenrad von Planetengetriebe PGSun gear of planetary gear PG
S'S '
Sonnenrad von Planetengetriebe PG'Sun gear of planetary gear PG '
TT
Planetenträger von Planetengetriebe PGPlanet carrier of planetary gear PG
T'T '
Planetenträger von Planetengetriebe PG'Planet carrier of planetary gear PG '

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102012009049 A1 [0004] DE 102012009049 A1 [0004]
  • US 8397592 B2 [0020] US 8397592 B2 [0020]

Claims (4)

Kompressor (1.1, 1.2) eines Verbrennungsmotors, mit einem mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung stehenden Antriebsrad (3), mit einer Antriebswelle (4), mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad (5), mit einer Verdichterwelle (6), und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (7), wobei der Rotor (7) über ein als ein einfaches Planetengetriebe (PG) mit einem Sonnenrad (S), einem mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T), und einem Hohlrad (R) ausgebildeten Überlagerungsgetriebe (8) mit der Antriebswelle (4) sowie mit der Verdichterwelle (6) in Triebverbindung steht, und wobei die Antriebswelle (4) drehfest mit dem Planetenträger (T) verbunden ist, der Rotor (7) der Elektromaschine (EM) drehfest mit dem Hohlrad (R) verbunden ist, und die Verdichterwelle (6) mit dem Sonnenrad (S) in Triebverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass dem Überlagerungsgetriebe (8) eine Hochtriebstufe (10) mit einer besonders niedrigen Übersetzung (iH << 1) antriebstechnisch nachgeordnet ist, deren Eingangselement (11) drehfest mit dem Sonnenrad (S) des Überlagerungsgetriebes (8) verbunden ist, und deren Ausgangselement (12) drehfest mit der Verdichterwelle (6) verbunden ist.Compressor ( 1.1 . 1.2 ) of an internal combustion engine, with a drive wheel in drive connection with the crankshaft of the internal combustion engine ( 3 ), with a drive shaft ( 4 ), with a in the intake tract of the internal combustion engine rotatably mounted compressor wheel ( 5 ), with a compressor shaft ( 6 ), and with an operable as a motor and generator electric machine (EM) with a rotor ( 7 ), wherein the rotor ( 7 ) via a as a simple planetary gear (PG) with a sun gear (S), a planetary gear (P) bearing planet carrier (T), and a ring gear (R) formed superposition gear ( 8th ) with the drive shaft ( 4 ) and with the compressor shaft ( 6 ) is in driving connection, and wherein the drive shaft ( 4 ) rotatably connected to the planet carrier (T), the rotor ( 7 ) of the electric machine (EM) rotatably connected to the ring gear (R), and the compressor shaft ( 6 ) is in driving connection with the sun gear (S), characterized in that the superposition gear ( 8th ) a high-powered stage ( 10 ) is arranged downstream of a particularly low gear ratio (i H << 1), whose input element ( 11 ) rotatably with the sun gear (S) of the superposition gear ( 8th ), and whose output element ( 12 ) rotatably with the compressor shaft ( 6 ) connected is. Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtriebstufe (10) als ein einfaches Planetengetriebe (PG') mit einem Sonnenrad (S'), einem mehrere Planetenräder (P') tragenden Planetenträger (T') und einem Hohlrad (R') ausgebildet ist, wobei das Planetengetriebe (PG') koaxial über der Verdichterwelle (6) angeordnet ist, und bei dem der Planetenträger (T') drehfest mit dem Sonnenrad (S) des Überlagerungsgetriebes (8) verbunden ist, das Hohlrad (R') gehäusefest arretiert ist, und das Sonnenrad (S') drehfest mit der Verdichterwelle (6) verbunden ist.Compressor according to claim 1, characterized in that the high-drive stage ( 10 ) is formed as a simple planetary gear (PG ') having a sun gear (S'), a planetary carrier (T ') supporting a plurality of planet gears (P') and a ring gear (R '), the planetary gear (PG') being coaxial with the planetary gear Compressor shaft ( 6 ) is arranged, and in which the planet carrier (T ') rotatably with the sun gear (S) of the superposition gear ( 8th ), the ring gear (R ') is fixed to the housing, and the sun gear (S') rotationally fixed to the compressor shaft ( 6 ) connected is. Kompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (8) und die Hochtriebstufe (10) baugleiche Bauteile (P, R, S, T; P', R', S', T') aufweisen.Compressor according to claim 2, characterized in that the superposition gear ( 8th ) and the high-speed stage ( 10 ) have identical components (P, R, S, T, P ', R', S ', T'). Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (7) der Elektromaschine (EM) oder dem Hohlrad (R) des Überlagerungsgetriebes (8) sowie der Antriebswelle (4) eine Freilaufkupplung (13) angeordnet ist, die bei einer Rotordrehzahl (nEM) der Elektromaschine (EM), die kleiner als die Antriebsdrehzahl (nA) ist, selbsttätig öffnet, und die bei einer Rotordrehzahl (nEM) der Elektromaschine (EM), die größer oder gleich der Antriebsdrehzahl (nA) ist, selbsttätig schließt.Compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the rotor ( 7 ) of the electric machine (EM) or the ring gear (R) of the superposition gear ( 8th ) and the drive shaft ( 4 ) an overrunning clutch ( 13 ) is arranged, which at a rotor speed (n EM ) of the electric machine (EM), which is smaller than the input speed (n A ), automatically opens, and at a rotor speed (n EM ) of the electric machine (EM), the larger or equal to the drive speed (n A ), automatically closes.
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US8397592B2 (en) 2010-02-19 2013-03-19 Vertex Pharmaceuticals, Inc. Systems and methods for inline sampling
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