DE3801227A1

DE3801227A1 - Mechanisch betriebener schraubenauflader

Info

Publication number: DE3801227A1
Application number: DE19883801227
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kubo; Itsuro Nomura; Kunihiko Nishitani; Noburo Tsuboi
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-05-01
Filing date: 1988-01-18
Publication date: 1988-11-17
Also published as: FR2614649A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Auflader, genauer gesagt einen mechanisch betriebenen Schraubenauflader zum Auf laden von Brennkraftmaschinen, beispielsweise solchen von Kraftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und solchen für industrielle Zwecke.

In der japanischen Patentschrift 51-37 316 ist ein mecha nisch betriebener Schraubenauflader 13 beschrieben, der in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.

Dieser mechanisch betriebener Schraubenauflader (hiernach einfacherweise nur als "Schraubenauflader" bezeichnet) 13 besitzt einen Satz von Rotoren 14 und 15 mit vorstehen den und zurückspringenden Eingriffsteilen, die über eine Antriebsriemenscheibe 16, Riemen 17 und eine angetriebe ne Riemenscheibe 18 von einer Kurbelwelle 12 in Drehungen versetzt werden, um Luft durch ein Ansaugfilter 19 anzu saugen und dadurch eine Brennkraftmaschine 11 aufzula den. Der Schraubenauflader 13, bei dem die Schraubenro toren 14 und 15 Anwendung finden, ist vom Verdrängungs typ, und die Drehzahl der Schraubenrotoren 14 und 15 ist proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle 12 der Brenn kraftmaschine 11. Daher besitzt der Schraubenauflader 13 den Vorteil, daß die Brennkraftmaschine beim Anlassen und während einer Beschleunigung ohne zeitliche Verzö gerung aufgeladen werden kann, bei einem vom Abgas der Brennkraftmaschine angetriebenen Turbolader nicht mög lich ist.

Theoretisch gibt der Schraubenauflader 13 Luft mit einem Durchsatz ab, der proportional zur Drehzahl der Schrau benrotoren 14 und 15 ist, da es sich bei dem Schrauben auflader 13 um eine Verdrängermaschine handelt. Bei einem Schraubenauflader dieses Typs besteht jedoch ähnlich wie bei einem Schraubenkompressor das praktische Problem, daß Luft durch den Spalt zwischen den Zähnen der Schrau benrotoren leckt, so daß der volumetrische Wirkungsgrad cy μ _v, insbesondere im Bereich niedriger Drehzahlen, wie in Fig. 5 gezeigt, abfällt. Wenn daher der Schrau benauflader 13 von einer Brennkraftmaschine angetrieben wird, fällt der Aufladedruck des Aufladers 13, so daß der Auflader nicht in der Lage ist, in ausreichender Wei se Luft zuzuführen, wenn die Brennkraftmaschine 11 mit einer niedrigen Drehzahl läuft.

Die Beziehung in bezug auf das Betriebsverhalten zwischen der Brennkraftmaschine 11 und dem Schraubenauflader 13 wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

n ₁ · P ₁ · Vth ₁ · μ v ₁ = n ₂ · P ₂ · Vth ₂ · μ v ₂ (1),

wobei n ₁ und n ₂ Drehzahlen, P ₁ und P ₂ Drücke, Vth ₁ und Vth ₂ die theoretischen Volumina des bei jeder Umdrehung abgegebenen Gases und μ v ₁ und μ v ₂ die volumetrischen Wir kungsgrade (Grad des Leckens) bedeuten, wobei der Index "1" den Schraubenauflader und der Index "2" die Brennkraft maschine 11 kennzeichnen.

Damit ist

P ₂ = n ₁ · Vth ₁ · μ v ₁ · P ₁/n ₂ · Vth ₂ · μ v ₂ (2).

In der Gleichung (2) ist n ₁/n ₂ eine Konstante, da die Drehzahl n ₁ des Schraubenrotors proportional zur Dreh zahl n ₂ der Brennkraftmaschine ist. Der volumetrische Wirkungsgrad μ v ₁ nimmt mit Abnahme der Drehzahl n ₁ ab, wie in Fig. 5 gezeigt. Die theoretische Volumina Vth ₁ und Vth ₂ sind für Maschinen vom Verdrängungstyp Konstan ten, so daß der volumetrische Wirkungsgrad μ v ₂ konstant ist.

Wie daher aus der Gleichung (2) hervorgeht, ist der Druck P ₂ gering, wenn sich die Schraubenrotoren mit einer nie drigen Drehzahl drehen, so daß daher die Brennkraftma schine 11 bei niedriger Drehzahl nicht genügend aufgela den werden kann.

Das vorstehende Problem wurde nur anhand der Drehzahl n ₁ der Schraubenrotoren des Schraubenaufladers 13 dis kutiert, unabhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschi ne 11. Im praktischen Betrieb erfordert die Brennkraft maschine 11 jedoch einen optimalen Aufladungswert, der ihrem jeweiligen Lastzustand gerecht wird. Die Beziehung zwischen dem optimalen Aufladungswert und der Last der Brennkraftmaschine sowie deren Drehzahl wird hier als "Aufladungscharakteristika" bezeichnet. Um ein zufrieden stellendes Aufladen zu erreichen, muß der Aufladungswert in Abhängigkeit von den Aufladungscharakteristika gere gelt werden. Trotz allem ist der Schraubenauflader 13 nicht in der Lage, unter Berücksichtigung des Lastzustan des der Brennkraftmaschine 11 diese mit einem optimalen Aufladungswert aufzuladen, da das Verhältnis n ₁/n ₂ eine Konstante ist und dadurch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine heraufgesetzt wird.

Fig. 6 zeigt Ausgangscharakteristikakurven I, II und III der Brennkraftmaschine 11 entsprechend Kraftstoff einspritzwerten, die sich in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine ändern, sowie Kurven A, B und C für optimale Aufladungscharakteristika in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine. Die Ausgangscharak teristikakurven I, II und III geben die Änderung des Aus gangsdrehmomentes der Brennkraftmaschine 11 im Betrieb bei niedriger Last, bei geringer Last und bei hoher Last wieder.

Wenn die Leistung des Schraubenaufladers 13 auf der Ba sis eines Aufladewertes für einen hohen Lastzustand der Brennkraftmaschine 11 festgelegt wird, wird die Brenn kraftmaschine im Betriebszustand relativ geringer und niedriger Last übermäßig hoch aufgeladen, so daß der Schraubenauflader Energie zum Komprimieren von Luft ver geudet und der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschi ne ansteigt. In manchen Fällen fällt dabei das Ausgangs drehmoment der Brennkraftmaschine unter einen gewünschten Wert ab.

Wenn die Leistung des Schraubenaufladers 13 auf der Ba sis eines Aufladewertes für einen Betrieb der Brennkraft maschine bei niedriger Last bestimmt wird, wird der Auf ladewert im Betriebszustand hoher Last und relativ gerin ger Last unzureichend, was zum Klopfen der Brennkraftma schine infolge einer unvollständigen Verbrennung und zum Stopp derselben führt.

Diese Probleme sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Drehzahl n ₁ der Schraubenrotoren des Schraubenaufla ders 13 proportional zur Drehzahl n ₂ der Brennkraftma schine ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mecha nisch betriebenen Schraubenauflader zu schaffen, mit dem die vorstehend genannten Nachteile eines herkömmlich aus gebildeten Schraubenaufladers vermieden werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein me chanisch betriebener Schraubenauflader vorgesehen, der die folgenden Bestandteile umfaßt: eine Schraubenaufla dungseinheit, ein Regelgetriebe zum Verbinden der Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine und der Eingangswelle der Schraubenaufladungseinheit und eine Steuereinheit zum Verändern des Drehzahländerungs verhältnisses des Regelgetriebes in Abhängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine, um die Brennkraftmaschine mit einem optimalen Aufladungs wert aufzuladen, der dem Lastzustand der Brennkraftma schine gerecht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brenn kraftmaschine, die einen mechanisch betrie benen Schraubenauflader gemäß einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 2 ein Diagramm, das die Änderung des Drehzahl änderungsverhältnisses mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine für unterschiedliche Last zustände der Brennkraftmaschine zeigt; die

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen einer Brennkraft maschine, die einen herkömmlichen Auflader aufweist;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Änderung des volume trischen Wirkungsgrades eines Schraubenauf laders mit der Drehzahl der Rotoren des Auf laders zeigt; und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Änderung des Drehmo mentes der Brennkraftmaschine und die des Aufladungsbedarfes mit der Drehzahl der Brenn kraftmaschine für unterschiedliche Lastzu stände derselben zeigt.

Wie man Fig. 1 entnehmen kann, wird ein mechanisch be triebener Schraubenauflader (hiernach einfacherweise als "Schraubenauflader" bezeichnet) 1 von der Kurbelwelle 4 einer Brennkraftmaschine 2 über ein Regelgetriebe 3, wie es beispielsweise in der US-PS 40 94 203 beschrieben ist, angetrieben. Das Regelgetriebe 3 besitzt eine beweg liche Riemenscheibe 6, die axial gleitbar auf einem Ende der Ausgangswelle, nämlich der Kurbelwelle 4 der Brenn kraftmaschine 2, montiert ist, und eine bewegliche Rie menscheibe 7, die axial gleitbar auf einem Ende der Ein gangswelle, nämlich der Rotorwelle 1 a, des Schraubenauf laders 1 montiert ist. Die beweglichen Riemenscheiben 6 und 7 werden über eine Drehzahländerungseinrichtung 8, beispielsweise die in der US-PS 40 94 203 beschrie bene hydraulische Vorrichtung, in Richtung auf fixierte Riemenscheiben 6′ und 7′ und von diesen weg bewegt, um das Drehzahländerungsverhältnis des Regelgetriebes 3 zu verändern. Die Drehzahländerungseinrichtung 8 steuert die entsprechenden Positionen der beweglichen Riemen scheiben 6 und 7 in Abhängigkeit von einem Steuersignal, das Daten entspricht, welche eine Drehzahl der Rotorwel le 1 a des Schraubenaufladers 1 wiedergeben, die Aufla dungscharakteristika entsprechend den Lastbedingungen der Brennkraftmaschine 2 gerecht wird, nämlich einer optimalen Aufladungsrate, die dem Lastzustand der Brenn kraftmaschine 2 entspricht und auf der Basis eines Erfas sungssignales ausgewählt worden ist, das von einer Erfas sungseinrichtung 9 vorgesehen worden ist, um den Lastzu stand der Brennkraftmaschine 2 unter den vorher in einer Speichervorrichtung einer Steuereinheit 5 gespeicherten Zuständen zu erfassen. Der Lastzustand der Brennkraftma schine 2 wird auf der Basis von Signalen erfaßt, die den Kraftstoffzuführwert, den Innendruck der Brennkraftma schine 2 und die Drehzahl der Brennkraftmaschine 2 ver körpern.

Daten, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind und die Beziehung zwischen der Motodrehzahl und dem Drehzahländerungsver hältnis zur Einstellung der Drehzahl der Eingangswelle 1 a des Schraubenaufladers 1 auf einen Wert zum Aufladen der Brennkraftmaschine 2 auf einen optimalen Aufladungs wert, der einem Lastzustand der Brennkraftmaschine 2 ent spricht, werden vorher in der Speichervorrichtung der Steuereinheit 5 gespeichert. Konkret gesagt stellen die Kurven I, II und III in Fig. 2 Drehzahländerungseigen schaftskurven dar, die eine vorgegebene Änderung des Drehzahländerungsverhältnisses mit der Motordrehzahl, d. h. der Drehzahl der Kurbelwelle, für einen Betrieb bei hoher Last, einen Betrieb bei relativ geringer Last und einen Betrieb bei niedriger Last wiedergeben. Der Lastzustand der Brennkraftmaschine 2 wird auf der Basis eines Erfassungssignales bestimmt, das von einer Erfas sungseinrichtung 9 zur Erfassung des Lastzustandes der Brennkraftmaschine 2 ermittelt wurde, und eine der Dreh zahländerungseigenschaftskurven I, II und III wird ent sprechend ausgewählt. Danach wird die Drehzahländerungs einrichtung 8 so gesteuert, daß das Regelgetriebe 3 auf ein geeignetes Drehzahländerungsverhältnis, das der vor liegenden Motordrehzahl entspricht, eingestellt wird.

Obwohl die Betriebsart der Brennkraftmaschine 2 in be zug auf den Lastzustand in drei Betriebsarten aufgeteilt wurde, nämlich einen Betrieb bei hoher, relativ geringer und niedriger Last, kann die Betriebsart auch in anderer Weise als hier beschrieben klassifiziert werden.

Des weiteren kann auch die Drehzahländerungseinrichtung 8 durch irgendeine andere geeignete Drehzahländerungs einrichtung ersetzt werden.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, wird die Drehzahl der Eingangswelle des Schraubenaufladers, d. h. die Aufladungsrate des Schraubenaufladers, in Ab hängigkeit vom Lastzustand der Brennkraftmaschine gere gelt und nicht mehr proportional zur Drehzahl der Kurbel welle der Brennkraftmaschine. Daher wird die Brennkraft maschine jederzeit auf einen optimalen Druck aufgeladen. Somit wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verbessert, und diese kann eine beständige Ausgangslei stung ohne Klopfen und Ausgehen der Brennkraftmaschine erzeugen.

Es wird somit erfindungsgemäß ein mechanisch betriebener Auflader vorgeschlagen. Der Auflader umfaßt eine Aufla dungsvorrichtung und ein Regelgetriebe, das die Ausgangs welle einer Brennkraftmaschine und die Eingangswelle der Aufladungsvorrichtung miteinander verbindet. Des weiteren besitzt der Auflader eine Einrichtung zum Erfassen des Lastzustandes der Brennkraftmaschine und eine Steuerein heit zum Steuern der Drehzahländerungseinrichtung des Regelgetriebes auf der Basis eines Signales, das von der Erfassungseinrichtung zur Verfügung gestellt wurde. Auf diese Weise arbeitet die Aufladungsvorrichtung gemäß vor gegebenen Aufladungseigenschaften, die dem Lastzustand der Brennkraftmaschine entsprechen.

Claims

1. Mechanisch betriebener Schraubenauflader mit einer Schraubenaufladungsvorrichtung und einem Regelgetriebe, das die Ausgangswelle einer Brennkraftmaschine und die Eingangswelle der Schraubenaufladungsvorrichtung mit einander verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Erfassungseinrichtung (9) zum Erfassen des Lastzustan des der Brennkraftmaschine (2) und eine Steuereinheit (5) zum Steuern der Drehzahländerungseinrichtung des Re gelgetriebes (3) auf der Basis eines Signales, das von der Erfassungseinrichtung (9) zur Verfügung gestellt wurde, aufweist, so daß die Schraubenaufladungsvorrich tung (1) in Abhängigkeit von vorgegebenen Aufladungscha rakteristika arbeitet, die dem Lastzustand der Brenn kraftmaschine (2) entsprechen.

2. Schraubenauflader nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Regelgetriebe (3) ein Getriebe mit kon tinuierlich regelbarer Drehzahl ist.