DE3804125C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei einer gattungsgemäßen, aus der DE-OS 36 23 676 bekann­ ten Brennkraftmaschine ist ein zusätzlicher mechanischer Antrieb des Abgasturboladers immer dann erwünscht, wenn bei einer positiven Laständerung aus niederen Lastbereichen heraus der Ladedruck und damit die Abgasturboladerdrehzahl nur schleppend ansteigt. Beim Einkuppeln liegen daher zwi­ schen An- und Abtriebsseite der Kupplung relativ hohe Dreh­ zahldifferenzen vor, die bei einer konventionellen Reib­ kupplung, insbesondere dann, wenn die Kupplung in unmittel­ barer Nähe des heißen Abgasturboladers angeordnet ist, zu deren schnellem Verschleiß führen.

Die DE-PS 9 15 635 beschreibt eine Andrehvorrichtung für eine mittels eines Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine. Hierzu ist unter anderem vorgesehen, in dem den Abgasturbolader mit der Kurbelwelle verbindenden Antriebsstrang eine Kupplung zur bedarfsweisen Entkopplung der Kurbelwelle von dem Abgasturbolader anzuordnen. Diese Kupplung kann z. B. mecha­ nisch, elektrisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneuma­ tisch arbeiten. Übear die genaue Wirkungsweise der Kupplung und über deren Aufbau im einzelnen ist nichts ausgesagt. Die Schrift lehrt weiter, daß eine bevorzugte Ausführungsform der Kupplung die ist, antriebsseitig einen Generator anzutreiben, der wiederum über eine elektrische Leitung mit einem Elektromotor verbunden ist, welcher schließlich die Ab­ triebsseite antreibt. Die Entkopplung des Abgasturboladers von der Kurbelwelle kann dabei z. B. durch Unterbrechung der elek­ trischen Leitung erfolgen. Bei dieser Kupplungsart tritt beim Ausgleich von An- und Abtriebsdrehzahl während des Einkuppel­ vorganges keinerlei mechanische Reibung und damit kein Ver­ schleiß auf. Der Nachteil dieser elektrischen Kupplung besteht jedoch in einem relativ großen Bauaufwand (zwei Baueinheiten: Generator-Elektromotor), welcher letztendlich hohe Kosten ver­ ursacht. Darüber hinaus ist der Platzbedarf einer derartigen Kupplungseinrichtung sehr groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aufgeladene Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruches 2 beschriebenen Art zu schaffen, bei welcher keiner­ lei Funktionsbeeinträchtigungen infolge einer mechanischen oder einer thermischen Überbeanspruchung der im Antriebsstrang zwischen Kurbelwelle und Abgasturbolader angeordneten Kupplung zu erwarten sind, wobei gleichzeitig der Bauaufwand und der Platzbedarf für die Kupplung minimal gehalten ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Anspruches 1 oder des Anspruchs 2 ge­ löst.

Bei der erfindungsgemäßen Wirbelstrom-Kupplung erfolgt eine berührungsfreie Übertragung des Drehmomentes, so daß ein Ein- und Auskuppeln, selbst bei Vorliegen größerer Drehzahldiffe­ renzen zwischen An- und Abtrieb, problemlos ohne jeglichen Verschleiß durchführbar ist. Diese berührungsfreie Drehmoment­ übertragung ermöglicht auch eine Anordnung der Kupplung in un­ mittelbarer Nähe des heißen Abgasturboladers.

Die erfindungsgemäße Kupplung hat ferner den Vorteil, daß ihr Platzbedarf relativ gering ist. Darüber hinaus ist sie einfach aufgebaut, damit also kostengünstig herzustellen und zu mon­ tieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen, wobei sich die Ausgestaltung nach Anspruch 3 besonders für den Fall, daß die Kupplung antriebsseitig und die Ausgestaltung nach Anspruch 4 für den Fall eignet, daß die Kupplung abtriebsseitig im Bezug auf ein zwischen Kurbelwelle und Abgasturbolader vorgesehenes Getriebe angeordnet ist. Die getriebeabtriebsseitige Anordnung der Kupplung hat den Vorteil, daß dann, wenn sich die Kupplung in ausgerücktem Zustand befindet, die Getriebezahnräder vom Abgasturbolader nicht mehr mitgedreht werden, somit also die vom Abgasturbolader zu beschleunigenden Drehmassen minimal ge­ halten sind. Demzufolge ist auch in diesem Betriebszustand ein bestmögliches Ansprechverhalten des Abgasturboladers gewähr­ leistet.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht eines teils geschnittenen Abgas­ turboladers mit Zusatzantrieb in teils sche­ matischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch eine Wirbelstrom-Kupplung an der Stelle A in Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht auf die Kupplung nach Fig. 2 und

Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine alternative Kupp­ lungs-Ausführung an der Stelle B in Fig. 1.

Der Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine 1 und einem Verdichter 2, der von der Abgasturbine 1 über eine starr mit dem Verdichter 2 verbundene Verdichter-Antriebs­ welle 3 angetrieben wird.

Über ein ins Schnelle übersetzendes von der Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine antreibbares Getriebe 4 kann die mit der Drehzahl der Abgasturbine 1 rotierende Verdichter-An­ triebswelle 3 auf eine höher liegende Drehzahl gebracht wer­ den. Ein solcher von der Kurbelwelle 5 ausgehender Zusatzan­ trieb ist mit Hilfe einer Wirbelstrom-Kupplung zu- und ab­ schaltbar. Dabei kann diese Kupplung alternativ an- oder ab­ triebsseitig des ins Schnelle übersetzenden Getriebes 4 an­ geordnet sein. Beide Alternativen sind in der Fig. 1 dar­ gestellt, wobei die antriebsseitige Lage mit A und die ab­ triebsseitige Lage mit B markiert ist.

In den gezeichneten Ausführungsbeispielen erfolgt der An­ trieb von der Kurbelwelle 5 aus mittels eines Riementriebes 6 über eine Lichtmaschine 7 und von dort wiederum über einen Riementrieb 8 zu dem Getriebe 4 hin.

Bei der Anordnung der Kupplung an der Stelle A wird das Ge­ triebe 4 ständig von der Verdichter-Antriebswelle 3 ange­ trieben, und zwar unabhängig davon, ob die an der Stelle A vorgesehene Kupplung ein- oder ausgeschaltet ist. Bei einge­ schalteter Kupplung übernimmt allerdings das von der Kurbel­ welle 5 ausgehende Drehmoment die Antriebsfunktion, da hier­ von in diesem Zustand die höhere Antriebsdrehzahl ausgeht.

Die Kupplung kann alternativ aber auch an der Stelle B di­ rekt zwischen der Verdichter-Antriebswelle 3 und der Abtriebs­ stufe des Getriebes 4 angeordnet sein. In diesem Fall läuft das Getriebe ständig mit der durch die Kurbelwelle 5 aufge­ gebenen Drehzahl mit, d. h. auch dann, wenn die an der Stelle B befindliche Kupplung ausgeschaltet ist.

Die an den Stellen A oder B, d. h. an der An- oder Abtriebs­ seite des Getriebes eingesetzten Kupplungen sind bei gleichem Wirkprinzip jeweils konstruktiv unterschiedlich aufgebaut.

Der in den Fig. 2 und 3 zum Einsatz bei A bestimmte Kupp­ lungstyp setzt sich wie folgt zusammen:

Eine fest mit der Welle 9 der Lichtmaschine 7 verbundene Kupplungs-Antriebsscheibe 10 rotiert mit ihrem äußeren Schei­ benring 11 in einem nach radial innen offenen Ringraum 12 des Abtriebteils (der Kupplungs-Abtriebsscheibe) 13. Der Aufbau und die Form dieses Ringraumes 12 werden weiter unten noch näher be­ schrieben. Das Material des Scheibenringes 11 ist magneti­ sierbar.

Auf dem äußeren Umfang der Abtriebsscheibe 13 greift der das Getriebe 4 in Bewegung setzende Riementrieb 8 an. Ferner ist die Abtriebsscheibe 13 aus einem Innenring 14 und einem Außen­ ring 15 zusammengesetzt. Miteinander verbunden sind diese bei­ den Ringe 14, 15 über einen Zwischenring 16 aus nicht mag­ netisierbarem Material.

In einem axial neben dem Ringraum 12 liegenden Bereich weist die Abtriebsscheibe 13 einen zwischen ihrem Innen- und Außen­ ring 14 bzw. 15 liegenden axial gegenüber dem Ringraum 12 geschlossenen und an seinem anderen Ende offenen weiteren Ringraum 17 auf. In diesen Ringraum 17 ragt ein an einem Sta­ tor 18 gehäusefest montierter Elektromagnet 19 mit einer stromdurchflossenen Wicklung. Dieser Magnet erzeugt einen elektromagnetischen Fluß, der durch die den Magneten radial einschließenden Metall-Hülsen 20 über einen schmalen Luft­ spalt in den Innen- und Außenring 14 bzw. 15 der Abtriebs­ scheibe 13 geleitet wird. Der Innen- und der Außenring 14 bzw. 15 der Abtriebsscheibe 13 sind damit entgegengesetzt gepolt.

Die Stirnwände des radialen Ringraumes 12, in dem der Schei­ benring 11 der Antriebsscheibe 10 rotiert, werden an dem einen Ende von dem Innenring 14 und an dem anderen Ende von dem Außenring 15 gebildet. Dabei handelt es sich nicht um ge­ schlossene Stirnwände, sondern lediglich um auf dem Umfang gegeneinander beabstandete Ringwandsegmente 21, die sich axial jeweils flächendeckend gegenüberliegen.

Der sich auf diese Weise ergebende Magnetfluß durch die Teile: Hülsen 20, Innen- und Außenring 14 bzw. 15 der Ab­ triebsscheibe, die Ringwand-Segmente 21 sowie den Scheiben­ ring 11 ist in Fig. 2 durch Pfeile markiert.

Die Abtriebsscheibe 13 ist insgesamt über ein Wälzlager 22 auf dem Stator 18 gelagert.

Die magnetischen Feldlinien durchsetzen den Scheibenring 11 jeweils nur im Bereich der Ringwand-Segmente 21.

Die drehzahlabhängige Änderung des Magnetisierungszustandes des Scheibenringes 11 erzeugt Wirbelströme, die in Wechsel­ wirkung mit dem magnetischen Fluß ein Drehmoment hervor­ rufen.

Bei der zweiten Ausführungsform der in Fig. 4 dargestell­ ten direkt an die Verdichter-Antriebswelle 3 angeschlossenen Wirbelstromkupplung setzt sich diese wie folgt zusammen.

Die Antriebsscheibe 23 der Kupplung ist fester Bestandteil des Abtriebsrades 24 des Getriebes 4 und drehbar auf der Ver­ dichter-Antriebswelle 3 gelagert, die wiederum gleichzeitig Abtriebswelle der den Verdichter 2 antreibenden Abgasturbine 1 ist. Die Abtriebsscheibe 25 der Kupplung ist fest mit der Verdichter-Antriebswelle 3 verbunden. Diese Abtriebsscheibe 25 setzt sich aus einem Innenring 26 zu­ sammen, der direkt auf der Verdichter-Antriebswelle 3 auf­ sitzt und einem Außenring 27, der über einen Zwischenring 28 mit dem Innenring 26 verbunden ist. Der Innenring 26 und der Außenring 27 sind aus magnetisierbarem Material, während der Zwischenring 28 aus unmagnetisierbarem Material besteht. Der Innenring 26 und der Außenring 27 grenzen axial und ra­ dial außen einen Ringraum 29 ein, in dem die Antriebsscheibe 23 rotiert. Der Innenring 26 und der Außenring 27 sind durch einen gehäusefest angeordneten Elektromagneten 30 magneti­ sierbar, wobei der magnetische Fluß von dem Elektromagne­ ten 30 aus über dünne Luftspalte auf die beiden Ringe 26 und 27 übertragen wird. Der Magnetfluß durch die einzelnen genannten Teile ist wie bei dem vorbeschriebenen Kupplungs­ typ wiederum mit Pfeilen angegeben.

Die Antriebsscheibe 23 ist als gezahntes Polrad ausgebildet, d. h. in dem Bereich, in dem die Antriebsscheibe in den Ring­ raum 29 hineinragt, besitzt die Scheibe nur umfangsmäßig voneinander beabstandete einzelne Segmente, die mit den bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel mit 21 bezeichne­ ten Segmenten funktionell vergleichbar sind.

Bei Erregung und bei einer vorhandenen Schlupf-Drehzahl ent­ stehen in der Abtriebsscheibe 25 Wirbelströme, die im Zu­ sammenwirken mit dem magnetischen Fluß ein Kupplungsmoment hervorrufen, das die Verdichter-Welle 3 zusätzlich antreibt.

Für beide Ausführungsbeispiele gilt, daß eine Drehmoment­ übertragung dann erfolgt, wenn der Elektromagnet 19 bzw. 30 durch Anlegen einer vorgegebenen Spannung erregt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es selbstver­ ständlich auch denkbar, daß diese Spannung in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine variiert wird, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Beeinflussung des von der Kupplung zu übertragenden Drehmomentes gegeben ist.

Claims (4)

1. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem über deren Kurbel­ welle mechanisch antreibbaren Abgasturbolader, bei welcher in dem die Kurbelwelle mit dem Abgasturbolader verbindenden An­ triebsstrang eine reibungsfrei arbeitende Kupplungseinrichtung zur bedarfsweisen Entkopplung des Abgasturboladers vom mecha­ nischen Antrieb sowie ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (A), eine Wirbelstromkupplung ist, daß der Antriebsteil der Kupplung eine Wirbelstromscheibe (11) aufweist und daß der Abtriebsteil der Kupplung die Wirbel­ stromscheibe (11) von radial außen U-förmig umfaßt, wobei des­ sen Schenkel (14, 15) von über den Umfang verteilten, einzelnen gegeneinander beabstandeten Segmenten (21) gebildet sind, wobei diese Segmente (21) sich axial jeweils deckungsgleich gegen­ überliegen und durch einen ortsfest montierten Elektromagneten (10) berührungsfrei gegenpolig magnetisierbar sind.

2. Aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem über deren Kurbel­ welle mechanisch antreibbaren Abgasturbolader, bei welcher in dem die Kurbelwelle mit dem Abgasturbolader verbindenden An­ triebsstrang eine reibungsfrei arbeitende Kupplungseinrichtung zur bedarfsweisen Entkopplung des Abgasturboladers vom mecha­ nischen Antrieb sowie ein Übersetzungsgetriebe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (B) eine Wirbelstromkupplung ist, daß der Antriebsteil der Kupplung eine magnetisierbare, in einzelne über den Umfang verteilte und gegeneinander beabstandete Segmente unterteilte Scheibe (23) aufweist und daß der Abtriebsteil der Kupplung die Scheibe (23) von radial außen U-förmig umfaßt, wobei dessen Schenkel (26, 27) elektrisch leitend und durch einen ortsfest montierten Elektromagneten (30) berührungsfrei gegenpolig magnetisierbar sind.

3. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Kupplung (A) bei einem im Verlauf des An­ triebsstranges vorgesehenen Übersetzungsgetriebe (4) getriebeabtriebsseitig angeordnet ist.

4. Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Kupplung (B) bei einem im Verlauf des An­ triebsstranges vorgesehenen Übersetzungsgetriebe (4) getriebeabtriebsseitig angeordnet ist.