DE10247225A1

DE10247225A1 - Einen Schwungrad-Speicher verwendender Turbolader mit verbessertem Ansprechen

Info

Publication number: DE10247225A1
Application number: DE10247225A
Authority: DE
Inventors: John R Gladden; Beth A Hinchee
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2003-07-17
Also published as: US6553764B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Turboladersystem zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor und insbesondere geeignet zum Gebrauch in einem Straßenkraftfahrzeug (On-road-Fahrzeug), das versehen ist mit einem Turbolader mit einer Turbine, einem Kompressor und einer die Turbine mit dem Kompressor miteinander verbindenden Turbowelle, wobei ein erster Motor/Generator mechanisch an die Turbowelle angekoppelt wird, wobei ein zweiter Motor/Generator mechanisch an das Schwungrad angekoppelt wird, wobei der zweite Motor/Generator elektrisch an den ersten Motor/Generator angekoppelt wird, wobei Energie in dem Schwungrad unter Verwendung des zweiten Motors/Generators während der Perioden überschüssiger Turboladerladung gespeichert wird und wobei die Turboladerwelle unter Verwendung des ersten Motors/Generators während der Perioden unzureichender Turboladerladung in Drehung versetzt wird. Das Turboladersystem schafft ein kompaktes und effizientes System zur Speicherung von Energie im Schwungrad während der Perioden überschüssiger Turboladerladung und zur Wiedergewinnung der Energie vom Schwungrad während der Perioden unzureichender Turboladerladung.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbrennungsmotoren, insbesondere auf Turbolader die in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor verwendet werden.

Hintergrund

Ein limitierender Faktor bei der Leistung bzw. beim Betriebsverhalten eines Verbrennungsmotors ist die Menge der Verbrennungsluft, die zum Einlassverteiler zur Verbrennung in den Motorzylindern geliefert werden kann. Atmosphärischer Druck ist oft unzulänglich, um die erforderliche Luftmenge für einen ordnungsmäßen Betrieb eines Motors zu liefern.
Ein Verbrennungsmotor kann daher einen oder mehrere Turbolader zur Komprimierung von Luft umfassen, die zu einer oder mehren Verbrennungskammern innerhalb entsprechender Verbrennungszylinder geliefert werden muss. Der Turbolader liefert Verbrennungsluft mit höherem Druck und höherer Dichte, als die vorhandene atmosphärische Luft und Umgebungsdichte. Der Gebrauch eines Turboladers kann das Fehlen von Energie bzw. Leistung kompensieren dank der Höhe, oder die Leistung vergrößern, die von einem Motor mit einer gegebenen Verdrängung erzielt werden kann, wobei die Kosten, das Gewicht und die Größe eines Motors vermindert werden, der für eine gegebene Leistungsausgangsgröße erforderlich ist.
Ein Turbolader umfasst typischerweise eine Turbine, die durch Abgase eines Motors angetrieben wird, sowie einen durch die Turbine angetriebenen Kompressor. Der Kompressor erhält die zu komprimierende Luft und liefert die Luft zur Verbrennungskammer. Eine gemeinsame Welle verbindet das Turbinenrad der Turbine mit dem Kompressorrad im Kompressorabschnitt. Eine Strömung von Abgasen aus dem Motor wird vom Abgasverteiler zur Turbine geleitet. Die Strömung von die Turbine passierenden Abgasen bringt das Turbinenrad zum Rotieren und versetzt dadurch die gemeinsame Welle in Drehung, die das Turbinenrad und das Kompressorrad miteinander verbindet, und dreht somit das Kompressorrad.
Die für die Verbrennung im Verbrennungsmotor zu verwendende Umgebungsluft wird durch einen Kompressoreinlass in den Kompressorabschnitt gebracht. Die Luft wird durch das Kompressorrad komprimiert und wird zum Einlassverteiler des Verbrennungsmotors geleitet.
Etliche Probleme wurden mit zuvor bekannten Turbolader-Konstruktionen ausprobiert, wie vorstehend beschrieben. Beispielsweise brauchen Turbolader einige Zeit, wenn erhöhte Leistungsanforderungen am System platziert werden, um Drehzahl aufzunehmen und erhöhten Druck zu erzeugen. Wenn daher der Motor unter Bedingungen läuft, die eine schnelle Beschleunigung erfordern, ergibt sich eine Verspätungsperiode, während sich der Turbolader beschleunigt, und eine verzögerungsfreie Beschleunigung kann nicht erreicht werden.
Eine Lösung ist in der US-PS 5,341,060 (Kawamura) mit dem Titel "Motor mit einem Schwungradgenerator" beschrieben. Nach Kawamura, der eine Vorrichtung zur Steuerung eines Turboladers mit einer elektrischen Rotationsmaschine vorsieht, die den Ladedruck optimiert, gemäß der Tiefe, bis zu welcher ein Beschleunigungspedal gedrückt wird. Speziell wird ein Turbolader, der an einen Verbrennungsmotor gekoppelt ist, mit einer elektrischen Drehmaschine versorgt, die einen Rotor aufweist. Die Drehmaschine und der Rotor werden an einen Leistungsumwandler gekoppelt, der wiederum mit einer Batterie verbunden ist. Die Drehmaschine und der Rotor werden von der Batterie betrieben, wenn sie sich in einem Motormodus befinden, und liefern Leistung an die Batterie, wenn sie sich in einem Generatormodus befinden.
Während Kawamura eine Ladung zum Turbolader vorsieht, weist die Kawamura-Lösung Begrenzungen auf, die sie weniger effektiv macht. Die Zuverlässigkeit einer Batterie ruft Probleme hervor, die das Betriebsverhalten bei schlechtem kaltem Wetter, die Wartung, das Gewicht und Lebensdauer einschließen. Diese Probleme werden mit einem Leistungsumwandler hervorgehoben, wo zusätzliche Energie verloren geht. Darüber hinaus sieht Kawamura nur eine elektrische Verbindung vor, die der Korrosion und dem Zerfall ausgesetzt ist.
Die US-PS 4,312,183 (Regar) offenbart einen Abgasturbolader für Dieselmotoren, der einen Turbolader mit einer Turbine und einem Kompressor aufweist, die durch eine Turbowelle miteinander verbunden sind. Ein von der Turbowelle getrenntes Schwungrad wird wahlweise mit bzw. von einer Turbowelle verbunden, einen Freilauf oder eine Überholkupplung verwendet. Ein Summierungsmechanismus, wie beispielsweise eine Planetengetriebeanordnung, wird zwischen der Kupplung und dem Freilauf angeordnet. Das Regar-Patent '183 sieht daher einen Apparat zur mechanischen Verbindung eines Freilaufs mit einer Turbowelle eines Turboladers vor.
Ziel der Erfindung ist es, eines oder mehrere der vorstehend genannten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

In einem Aspekt der Erfindung wird ein Turboladersystem zur Verwendung bei einem Verbrennungsmotor geschaffen mit einem Turbolader, der eine Turbine, einen Kompressor und eine Turbowelle umfasst, welchletztere die Turbine mit dem Kompressor verbindet. Ein erster Motor/Generator wird mechanisch mit der Turbowelle verbunden. Ein zweiter Motor/Generator wird mechanisch mit einem Schwungrad und elektrisch mit dem ersten Motor/Generator verbunden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Energieversorgung eines Turboladersystems mit folgenden Schritten geschaffen: Vorsehen eines Turboladers mit einer Turbine, einem Kompressor und einer Turbowelle, die die Turbine und den Kompressor miteinander verbindet; mechanisches Kuppeln eines ersten Motors/Generators an die Turbowelle; mechanisches Kuppeln eines zweiten Motors/Generators an einen Freilauf; elektrisches Kuppeln eines zweiten Motors/Generators an den ersten Motors/Generator; Speichern der Energie im Schwungrad unter Verwendung des zweiten Motors/Generators während der Perioden überschüssiger Turboladerladung; und Rotieren der Turboladerwelle unter Verwendung des ersten Motors/Generators während der Perioden unzureichender Turboladerladung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

Gemäß Fig. 1 umfasst ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 40 einen Motorblock 42 mit einem Einlassverteiler 44, Verbrennungszylinder 45, einen Abgasverteiler 46, einen Turbolader 48 und ein Schwungrad 66.
Der Turbolader 48 weist eine Turbine 50, eine Turbowelle 54 und einen Kompressor 52 auf. Die Turbine 50 ist betriebsmäßig in Verbindung mit dem Abgasverteiler 46, der betriebsmäßig an die Verbrennungszylinder 45 gekoppelt ist. Die Turbine 50 ist gekoppelt mit der Turbowelle 54.
Der ebenfalls mit der Turbowelle 54 verbundene Kompressor 52 umfasst einen Lufteinlass 56 und einen Luftauslass 58. Der Luftauslass 58 ist betriebsmäßig verbunden mit dem Einlassverteiler 44, der wiederum mit den Verbrennungszylindern 45 betriebsmäßig verbunden ist. Der Turbolader 48 und das Schwungrad 66 bilden zusammen mit einigen Verbindungskomponenten ein Turboladersystem 68.
Das Schwungrad 66 ist mit der Turbowelle 54 über einen ersten Motor/Generator 60 und einen zweiten Motor/Generator 62 elektrisch verbunden. Der erste Motor/Generator 60 ist mechanisch an die Turbowelle 54 gekoppelt. Der zweite Motor/Generator 62 ist mechanisch mit dem Schwungrad 66 und elektrisch mit dem ersten Motor/Generator 60 verkoppelt.
Der Verbrennungsmotor 40 kann mit einer Steuervorrichtung 64 versehen sein, die betriebsmäßig an und zwischen dem Turbolader 48 und dem Schwungrad 66 gekoppelt ist. Die Steuervorrichtung 64 kann zum Abfühlen des Betriebszustandes bzw. der Betriebsbedingung im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor 40 auch mit einem am Motorblock 42 angebrachten Sensor 70 verbunden sein.

Industrielle Anwendbarkeit

Während des Gebrauchs wird das in den Verbrennungszylindern 45 erzeugte Abgas aus dem Abgasverteiler 46 herausgeführt und versetzt die Turbine 50 in Drehung. Die Turbine 50 überträgt die Drehkraft über die Turbowelle 54 auf den Kompressor 52. Der Kompressor 52 nimmt am Lufteinlass 56 Luft auf, komprimiert die Luft und überträgt die komprimierte Luft zum Einlassverteiler 44 zum Gebrauch in den Verbrennungszylindern 45.
Die Drehung der Turbowelle 54 kann den ersten Motor/Generator 60 in Betrieb setzen, um elektrische Energie zu übertragen auf den zweiten Motor/Generator 62, der während der Periode überschüssiger Ladung das Schwungrad 66 in Drehung versetzt und die Energie speichert.
Während der Perioden unzureichender Ladung, wie beispielsweise während Perioden hoher Belastung, hoher Drehmoment-Anforderung bei niedriger Motordrehzahl, bei Motorstart oder bei Startbeschleunigung des Turboladers 48, wird die im Schwungrad 66 gespeicherte Drehenergie zum Antrieb des zweiten Motors/Generators 62 als ein Generator verwendet, der den ersten Motor/Generator 60 als einen Motor antreibt, der die Turbowelle 54 in Drehung versetzt. Die Drehenergie im Schwungrad 66 wird verwendet zur schnelleren Beschleunigung der Drehgeschwindigkeit der Turbowelle 54, und somit wiederum der Drehzahl des Kompressorrades im Kompressor 52.
Die Steuervorrichtung 64 koordiniert den Turbolader 48 und das Schwungrad 66. Die Steuervorrichtung 64 kann ein Sensorsignal vom Sensor 70 aufnehmen, der mit dem Motorblock 42 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 64 kann die Steuerung in Abhängigkeit von der Ladung (boost) von folgendem koordinieren: Die Motordrehzahl, den Zylinderdruck, die Rauch-Opazität, die Emissionsraten des Kohlendioxids, des Kohlenmonoxids und der Stickstoffoxide, die Abgasrezirkulationsrate, die Abgastemperatur, das Verbrennungsklopfen, die Flammengeschwindigkeit, die angetriebene Generatorfrequenz, die Stromausgangsgröße des angetriebenen Generators, den absoluten Druck am Einlassverteiler, die Drosselposition, das Drosselbefehlssignal, die Kraftstoffzufuhr-Verweilzeit, das Schraubenpositions-Steuersignal für den Marine-Antrieb mit Schraube mit steuerbarer Steigung, das Motorstartsignal, die Schwungraddrehzahl, die Turbodrehzahl, die Energieanforderung, den Kraftstoffverbrauch, die Höhe, den Barometerdruck, den Luftstrom, die Einlassverteilertemperatur und die Kompressionseinlasstemperatur. Die Steuervorrichtung 64 moduliert die Turboladereingangsgröße, um genügend Luft zu produzieren, während sie überschüssige Ladung, das Anstiegsverhalten und die übermäßige Turbodrehzahl verhindert.
Ein Verbrennungsmotor 40 bietet Vorteile gegenüber dem bisher Bekannten. Beispielsweise sind die gegenwärtigen Konstruktionen dauerhafter bzw. langlebiger und neigen weniger zu Schwierigkeiten des Betriebszustandes, die sich aus der Witterung und Abnutzung ergeben. Die Konstruktionen erlauben auch sowohl elektrische als auch mechanische Verbindungen zwischen dem Schwungrad und dem Turbolader. Leistungsumwandler im Falle des Verbrennungsmotors 40 werden auf einem Minimum gehalten, wobei sie den Wirkungsgrad des gesamten Systems verbessern. Der Verbrennungsmotor 40 sieht räumliche Vorteile und eine kleinere Bauweise vor, und zwar infolge der verwendeten Komponenten, die in unterschiedlichen Richtungen bewegt und orientiert werden.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Studium der Zeichnung, der Offenbarung und den angefügten Ansprüchen.

Claims

1. Verbrennungsmotor der folgendes aufweist:
einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler;
einen Turbolader, der eine Turbine, einen Kompressor und eine die Turbine und den Kompressor miteinander verbindende Turbowelle aufweist, wobei die Turbine mit dem Abgasverteiler strömungsmittelmäßig verbunden ist und wobei der Kompressor mit dem Einlassverteiler strömungsmittelmäßig verbunden ist;
einen ersten Motor/Generator, der mechanisch mit der Turbowelle verbunden ist;
ein Schwungrad; und
einen zweiten Motor/Generator, der mechanisch mit dem Schwungrad und elektrisch mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist.

2. Motor nach Anspruch 1, der eine Steuervorrichtung aufweist, die mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator elektrisch verbunden ist.

3. Motor nach Anspruch 2, wobei die Steuervorrichtung in bi-direktionaler Weise mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator elektrisch verbunden ist.

4. Motor nach Anspruch 2, mit einem mit der Steuervorrichtung gekoppelten Sensor, der zum Abfühlen wenigstens eines der folgenden Merkmale konfiguriert ist: der Motordrehzahl, der Leistungsanforderung, des Zylinderdrucks, der Rauch-Opazität, der Emissionsraten des Kohlendioxids, des Kohlenmonoxids und der Stickstoffoxide, der Abgasrezirkulationsrate, der Abgastemperatur, des Verbrennungsklopfens, der Flammengeschwindigkeit, der Frequenz des angetriebenen Generators, der Stromausgangsgröße des angetriebenen Generators, des absoluten Drucks am Einlassverteiler, der Drosselposition, des Drosselsteuersignals, der Kraftstoffzufuhr-Verweilzeit, des Schraubenpositions-Befehlssignals für den Marine-Antrieb mit Schraube bzw. Propeller mit steuerbarer Steigung, des Motorstartsignals, der Schwungraddrehzahl, der Kraftstoffrate bzw. der Kraftstoffverbrauchsrate, der Höhe, des Barometerdrucks, des Luftstroms, der Einlassverteilertemperatur, der Turboladerdrehzahl, der Turboladerladung und der Kompressoreinlasstemperatur.

5. Turboladersystem zur Anwendung in einem Verbrennungsmotor, das folgendes aufweist:
einen Turbolader mit einer Turbine, einem Kompressor und einer die Turbine mit dem Kompressor miteinander verbindenden Turbowelle;
einen ersten Motor/Generator, der mit der Turbowelle mechanisch verbunden ist;
ein Schwungrad; und
einen zweiten Motor/Generator, der mechanisch mit dem Schwungrad und elektrisch mit dem ersten Motor/Generator verbunden ist.

6. Turboladersystem nach Anspruch 5, der eine Steuervorrichtung aufweist, die mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator elektrisch verbunden ist.

7. Turboladersystem nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung in bidirektionaler Weise mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator elektrisch verbunden ist.

8. Turboladersystem nach Anspruch 6, mit einem mit der Steuervorrichtung verbundenen Sensor, der zum Abfühlen wenigstens eines der folgenden Merkmale konfiguriert ist: der Motordrehzahl, der Energieanforderung, des Zylinderdrucks, der Rauch-Opazität, der Emissionsraten des Kohlendioxids, des Kohlenmonoxids und der Stickstoffoxide, der Abgasrezirkulationsrate, der Abgastemperatur, des Verbrennungsklopfens, der Flammengeschwindigkeit, der Frequenz des angetriebenen Generators, der Stromausgangsgröße des angetriebenen Generators, des absoluten Drucks am Einlassverteiler, der Drosselposition, des Drosselsteuersignals, der Kraftstoffzufuhr-Verweilzeit, des Schraubenpositions-Befehlssignals für den Marine- Antrieb mit Schraube bzw. Propeller mit steuerbarer Steigung, des Motorstartsignals, der Schwungraddrehzahl, der Kraftstoffrate bzw. Kraftstoffverbrauchsrate, der Höhe, des Barometerdrucks, des Luftstroms, der Einlassverteilertemperatur, der Turboladerdrehzahl, der Turboladerladung und der Kompressoreinlasstemperatur.

9. Verfahren zur Energieversorgung eines Turboladersystems, das folgende Schritte umfasst:
Vorsehen eines Turboladers mit einer Turbine, einem Kompressor und einer die Turbine mit der Kompressor miteinander verbindenden Turbowelle;
mechanisches Ankoppeln eines ersten Motors/Generators an die Turbowelle;
mechanisches Ankoppeln eines zweiten Motors/Generators an das Schwungrad;
elektrisches Ankoppeln des zweiten Motors/Generators an den ersten Motor/Generator;
Speichern der Energie in dem Schwungrad unter Verwendung des zweiten Motors/Generators während der Perioden überschüssiger Turboladerladung; und
Rotieren der Turboladerwelle unter Verwendung des ersten Motors/Generators während der Perioden unzureichender Turboladerladung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei während des Speicherschrittes der erste Motor/Generator als Generator und der zweite Motor/Generator als Motor wirkt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei während des Drehschrittes der zweite Motor/Generator als Generator und der erste Motor/Generator als Motor wirkt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, das den Schritt des elektrischen Verbindens einer Steuervorrichtung mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Steuervorrichtung in bi-direktionaler Weise mit dem ersten Motor/Generator und dem zweiten Motor/Generator elektrisch verbunden ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, das den Schritt der Verbindung bzw. Koppelung eines Sensors mit der Steuervorrichtung sowie das Abfühlen wenigstens eines der folgenden Merkmale mit dem Sensor einschließt: der Motordrehzahl, der Leistungsanforderung, des Zylinderdrucks, der Rauch-Opazität, der Emissionsraten des Kohlendioxids, des Kohlenmonoxids und der Stickstoffoxide, die Abgasrezirkulationsrate, der Abgastemperatur, des Verbrennungsklopfens, der Flammengeschwindigkeit, der Frequenz des angetriebenen Generators, der Stromausgangsgröße des angetriebenen Generators, des absoluten Druck am Einlassverteiler, die Drosselposition, das Drosselsteuersignal, der Kraftstoffzufuhr-Verweilzeit, des Schrauben- bzw. Propellerpositions-Befehlssignals für den Marine-Antrieb mit Schraube bzw. Propeller mit steuerbarer Steigung, des Motorstartsignals, der Schwungraddrehzahl, der Kraftstoffrate bzw. Kraftstoffverbrauchsrate, der Höhe, des Barometerdrucks, des Luftstroms, der Einlassverteilertemperatur, der Turboladerdrehzahl, der Turboladerladung und der Kompressoreinlasstemperatur.

15. Verfahren nach Anspruch 12, das ein Schritt des Steuerns des Turboladers einschließt, wobei die Steuervorrichtung verwendet wird, um wenigstens eines der folgenden Merkmale zu verhindern: Die überschüssige Ladung, das Anstiegsverhalten und die übermäßige Turbodrehzahl.