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Die
Erfindung betrifft ein Turboverbundsystem nach dem Oberbegriff von
Patentanspruch 1.
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Aus
der
DE 103 60 155
A1 ist bereits ein solches Turboverbundsystem bekannt,
wobei dieses auch mit dem englischen Begriff Turbocompound bezeichnet
werden kann. Dieses Turboverbundsystem umfasst einen Verbrennungsmotor,
eine Kurbelwelle, die vom Verbrennungsmotor angetrieben wird, und eine
Abgasnutzturbine, die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors zum Umwandeln
von Abgasenergie in Drehenergie angeordnet ist. Die Abgasnutzturbine
steht in Triebverbindung mit einer Kurbelwelle, wobei in diese Triebverbindung
eine Baueinheit zwischengefügt
ist. Diese Baueinheit weist zum einen eine erste Zahnradstufe zur Übersetzung
ins Langsame und zum anderen eine hydrodynamische Kupplung zur Torsionsschwingungsdämpfung auf.
Die hydrodynamische Kupplung weist ein beschaufeltes Pumpenrad auf,
das mit der Abgasnutzturbine in Triebverbindung steht. Ferner weist
die hydrodynamische Kupplung ein beschaufeltes Turbinenrad auf, das über eine
zweite Zahnradstufe zur Übersetzung ins
Langsame in Triebverbindung mit der Kurbelwelle steht. Das Pumpenrad
ist mittels einer Lamellenkupplung gegen ein Gehäuse kuppelbar, so dass die hydrodynamische
Kupplung auch als Retarder betrieben werden kann. Demzufolge ist
die Kurbelwelle in einem Bremsbetrieb mit dieser Funktion als hydrodynamischer
Retarder gegen das Gehäuse
abbremsbar. Ein solcher Retarder entlastet die Betriebsbremse des
Nutzfahrzeuges. Um die Lamellenkupplung trotz der hohen Bremslasten
klein auszuführen
bzw. nicht zu überlasten,
ist die hydrodynamische Kupplung auf einen vorgegebenen Füllgrad entleerbar.
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Ferner
ist aus
DE 10
2004 002 215 B3 eine Turboverbundeinheit bekannt. Bei dieser
ist eine hydrodynamische Kupplung vorgesehen, die zwei back-to-back
angeordnete Sekundärräder aufweist. Diese
Sekundärräder werden
von zwei Primärrädern angetrieben,
die über
jeweils einen eigenen Getriebezug mit einer Abgasnutzturbine verbunden
sind.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Turboverbundsystem mit einem besonders
hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
Füllstandsvariation
in der hydrodynamischen Kupplung möglich. Durch diese Füllstandvariation
ist die Drehmoment- und Drehzahlübertragung
zwischen der Abgasnutzturbine und der Kurbelwelle steuerbar und
auch regelbar. Insbesondere kann die Leistungsübertragung verbrennungsmotorlastabhängig durchgeführt werden.
So weist die volle Leistungsübertragung
nur im Volllastbereich des Verbrennungsmotors einen besonders hohen
Wirkungsgrad auf. Im Teillastbereich des Verbrennungsmotors würde das
Turboverbundsystem gegenüber
einem Antriebsstrang ohne Turboverbundsystem einen schlechteren
Wirkungsgrad aufweisen, was einen höheren Kraftstoffverbrauch zur
Folge hätte,
da ein Leistungsfluss von der Kurbelwelle zur Turbine stattfindet.
Mittels des erfindungsgemäßen Turboverbundsystems
ist es in diesem Teillastbereich möglich, den Füllstand
in der hydrodynamischen Kupplung auf ein Restniveau zu reduzieren
und damit den umgekehrten Leistungsfluss zu unterbrechen. Damit
erhöht
sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
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Die
Teilentleerung oder sogar eine gänzliche Entleerung
der hydrodynamischen Kupplung würde jedoch
dazu führen,
dass die Abgasnutzturbine lastlos bzw. ausgekuppelt läuft. Die
Beschleunigung der Abgasnutzturbine durch die thermische Energie
des Abgases würde
zu einer hohen Drehzahl und Belastung führen. Diese Belastung wird
durch eine erfindungsgemäße hydrodynamische
Bremse verhindert, welche das Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung
gegen das Gehäuse
abbremst. Damit kann auch die Abgasnutzturbine gegen das Gehäuse abgebremst
werden.
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Erfindungsgemäß ist eine
konstruktive Ausgestaltung einer hydrodynamische Bremse vorgesehen,
bei welcher deren Primärrad
back-to-back zu einem Pumpenrad der hydrodynamischen Kupplung angeordnet
ist, so dass dieses Pumpenrad gegen ein Gehäuse abbremsbar ist. Dieses
Gehäuse
kann insbesondere das Getriebegehäuse sein.
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Die
hydrodynamische Bremse kann in besonders vorteilhafter weise im
Gegensatz zu bei Nutzfahrzeugen üblichen
Retardern für
den Bremsbetrieb sehr klein ausgeführt sein. Da die von der erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Bremse abzuführende
Wärmemenge
sehr gering ist, ist eine zusätzliche
Fluidkühlung – insbesondere Ölkühlung – nicht
zwingend notwendig. Insbesondere eine Einbindung in den Kühlkreislauf – insbesondere
Kühlwasserkreislauf – des Antriebsmotors
ist nicht notwendig.
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Auch
kann ein Kanal für
die Befüllung
der hydrodynamischen Bremse mit einem Fluid vorgesehen sein, welches
nicht durch einen größeren als
den üblichen
oder einen zusätzlichen
Kühlkreislauf
des Antriebsmotors geführt
wird.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung
vor.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die
einzige Zeichnung zeigt schematisiert einen Antriebsstrang, der
unter anderem einen als Dieselmotor 2 ausgeführten Antriebsmotor,
ein Getriebe 30 und eine angetriebene Achse 31 umfasst.
Dabei sind in der Zeichnung zwei Ausführungsalternativen Alt. a und
Alt. b dargestellt.
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Von
einem Abgaskrümmer 1 wird
der Abgasstrom auf einen nicht näher
dargestellten Turbolader zur Gemischaufladung und damit zur Verbesserung des
Gesamtwirkungsgrades des Antriebsstranges geleitet.
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Der
Abgaskrümmer 1 dieses
Dieselmotors 2 ist im weiteren Verlauf mit einer Abgasnutzturbine 3 verbunden.
Somit werden Abgase an Schaufelrädern 4 eines
Abgasnutzturbinenrades 5 der Abgasnutzturbine 3 vorbeigeführt.
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Infolge
des Abgasstromes dreht sich das Abgasnutzturbinenrad 5 mit
bis zu 60000 U/min, die über
zwei nachfolgende Übersetzungsstufen 6, 7 auf das
Drehzahlband einer Kurbelwelle 8 des Dieselmotors 2 reduziert
werden, dass im Durchschnitt bei lediglich ca. 2000 U/min liegt.
Dazu ist das Abgasnutzturbinenrad 5 über eine Abgasnutzturbinenwelle 9 drehfest
mit einem kleinen schrägverzahnten
ersten Zahnrad 10 verbunden, welches mit einem ebenfalls schrägverzahnten großen zweiten
Zahnrad 11 kämmt.
Dieses große
zweite Zahnrad 11 ist im Betrieb des Antriebsstranges drehfest
mit einem Pumpenrad 13 einer hydrodynamischen Kupplung 14 verbunden,
so dass das Zahnrad 11 auf diese hydrodynamische Kupplung 14 abtreibt.
Dabei bildet diese hydrodynamische Kupplung 14 den Torsionsschwingungsdämpfer eines
Turboverbundsystems.
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Das
kleine erste Zahnrad 10 bildet zusammen mit dem großen zweiten
Zahnrad 11 die erste Übersetzungsstufe 6.
In das Pumpenrad 13 sind einteilig Schaufeln 20 eingearbeitet.
Diese Schaufeln 20 weisen nach vorne auf Schaufeln eines
Turbinenrades 15. Das Turbinenrad 15 der hydrodynamischen Kupplung 14 ist
somit koaxial und drehbar vor dem Pumpenrad 13 angeordnet,
so dass es fluidisch von dem Pumpenrad 13 antreibbar ist.
Dazu ist in der hydrodynamischen Kupplung 14 ein Fluid
vorgesehen, welches
- – als Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung 14 das
Drehmoment überträgt und
- – die
hydrodynamische Kupplung 14 kühlt und schmiert.
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Das
Turbinenrad 15 ist über
eine Welle-Nabe-Verbindung drehfest mit der Abtriebswelle 16 verbunden,
welche über
die zweite Übersetzungsstufe 7 auf
die Kurbelwelle 8 abtreibt. Diese zweite Übersetzungsstufe 7 übersetzt
ebenfalls ins Langsame und ist mittels einer Zahnradpaarung verwirklicht.
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Auf
der Hinterseite des Pumpenrades 13 ist ein Primärrad 17 einer
zweiten kleineren hydrodynamischen Bremse 18 angeordnet.
Schaufeln 19 dieser kleinen hydrodynamischen Bremse 18 weisen
nach hinten auf Schaufeln 21a bzw. 21b eines Statorrades 22a bzw. 22b.
Dabei ist in der Zeichnung oberhalb der Welle 12 die erste
Ausführungsalternative
Alt. a und unterhalb der Welle 12 die zweite Ausführungsalternative
Alt. b dargestellt.
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Gemäß der ersten
Ausführungsalternative Alt.
a weist das Statorrad 22a eine Schale 23 auf,
die gemeinsam mit einer Schale 24 des Primärrades 17 eine
Torusform bildet. Die Schale 23 des Statorrades 22a ist
auf deren Hinterseite mit einem Gehäuse 25a drehfest gekoppelt.
Im Bereich dieser drehfesten Verbindung ist ein Kanal 26a in
das Gehäuse 25a eingearbeitet.
Durch diesen Kanal 26a ist das Fluid in die kleine hydrodynamische
Bremse 18 einführbar und
aus dieser wieder ableitbar.
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Gemäß der zweiten
Ausführungsalternative Alt.
b sind die Schaufeln 21b des Statorrades 22b unmittelbar
in eine Ausnehmung eines Gehäuses 25b eingesetzt,
welche gemeinsam mit dem Primärrad 17 eine
Torusform bildet. Dabei ist in das Gehäuse 25b ein Kanal 26b eingearbeitet.
Durch diesen Kanal 26b ist das Fluid in die kleine hydrodynamische
Bremse 18 einführbar
und aus dieser wieder ableitbar.
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Durch
Befüllung
der kleinen hydrodynamischen Bremse 18 mittels des Kanals 26a bzw. 26b wird
das Primärrad 17 und
damit das Pumpenrad 13 gegen das Gehäuse 25a bzw. 25b abgebremst.
Wird die kleine hydrodynamische Bremse 18 hingegen wieder
entleert, so ist das Pumpenrad 13 der großen hydrodynamischen
Kupplung 14 wieder frei drehbar. Somit ist es möglich, das
Abgasnutzturbinenrad 5 gegen das Gehäuse 25a bzw. 25b abzubremsen
und wieder freizugeben. Die kleine hydrodynamischen Bremse 18 ist
dabei bauraumoptimiert so klein ausgeführt, dass das Turboverbundsystem
als add-on für
einen Antriebsstrang vorgesehen sein kann, der in einer Modellvariante
mit Turboverbundsystem und in einer weiteren Modellvariante ohne
Turboverbundsystem angeboten werden kann, ohne dass übermäßig Bauraum
für das
add-on vorgehalten wird.
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Aufgrund
der klein dimensionierten hydrodynamischen Bremse, die lediglich
verhindern soll, dass das Abgasnutzturbinenrad 5 frei dreht,
ist die von der hydrodynamischen Bremse abzuführende Wärmemenge sehr gering, so dass
kein Kühler
für das
Fluid in dem Kühlwasserkreislauf
des Antriebsstranges integriert sein braucht.
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Das
Fluid kann insbesondere ein Öl
sein.
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Das
Gehäuse 25a bzw. 25b kann
das Motorgehäuse
des Dieselmotors 2, das Getriebegehäuse des Getriebes 30 oder
ein mit einem dieser beiden Gehäuse
verbundenes Tuboverbundsystemgehäuse sein.
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Der
Kanal 26a bzw. 26b kann in beiden Ausführungsalternativen
Alt. a und Alt. b eine Leitung – insbesondere
eine Metall-Rohrleitung – sein.
Anstelle eines einzigen Kanals zur Befüllung und Entleerung der kleinen
hydrodynamischen Bremse 18 können zweckmäßigerweise auch zwei Kanäle vorgesehen sein.
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Anstelle
eines Dieselmotors kann auch ein anderer Verbrennungsmotor – insbesondere
ein Ottomotor – vorgesehen
sein.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen handelt
es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der
beschriebenen Merkmale für
unterschiedliche Ausführungsformen
ist ebenfalls möglich.
Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung
gehörenden
Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien
der Vorrichtungsteile zu entnehmen.