DE3920258A1

DE3920258A1 - Supercharger for IC engine - has rotor working in conjunction with surrounding housing for compressing drawn-in combustion air

Info

Publication number: DE3920258A1
Application number: DE3920258A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: RAHM JUN ALBERT
Current assignee: RAHM JUN ALBERT
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1991-01-10
Also published as: DE3920258C2

Abstract

The compressed combustion air is either delivered to a carburettor unit or directly in the combustion chamber of the engine. The rotor unit (12,15,16,19,21,24) is driven by an electric motor (13,20). The r.p.m. of the electric motor is controlled according to the position of the accelrator pedal of the associated motor vehicle. A potentiometer is arranged for controlling the r.p.m. of the electric motor. A mechanical coupling with the accelerator pedal can be arranged for controlling the r.p.m. of the electric motor. The r.p.m. of the electric motor (13,20) can be controlled by means of an electronic regulating or control system, pref. by means of a vehicle computer or a microprocessor. USE/ADVANTAGE - Type development which increases engine power markedly over entire r.p.m. range, i.e. normal travel as well as peak speed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für einen Ver brennungsmotor zur zwangsweisen Zuführung von Ver brennungsluft oder einem Gasgemisch in einen Ver brennungsraum des Motors, mit einer Rotoreinrichtung, die so mit einem umgebenden Gehäuse zusammenwirkt, daß angesaugte Verbrennungsluft verdichtet und ent weder in eine Vergasereinrichtung oder direkt in den Verbrennungsraum gefördert wird.The invention relates to a charger for a Ver internal combustion engine for forcing Ver combustion air or a gas mixture in a ver combustion chamber of the engine, with a rotor device, that interacts with a surrounding housing, that the intake of combustion air compresses and ent neither in a carburetor device or directly in the Combustion chamber is promoted.

Derartige Ladegeräte sind seit langem als sogenannte Turbolader oder als sogenannte "mechanische" Lader bekannt und dienen dazu, mittels der zugeführten Druckluft die Motorleistung zu erhöhen. Dabei bezieht der Turbolader seine Betriebsenergie aus den Auspuff gasen des Fahrzeugs, was zwar den Vorteil hat, daß im oberen Drehzahlbereich eine große Verdichtung stattfindet, so daß hier eine beträchtliche Leistungs steigerung des Motors zu verzeichnen ist. Nachteilig an dem Turbolader ist hingegen, daß die Verdichtung im unte ren Drehzahlbereich gering ist, so daß bei der hier mit verbundenen geringen Lieferleistung des Lade geräts keine nennenswerte Leistungssteigerung des Motors erreicht wird.Such chargers have long been known as so-called Turbocharger or as a so-called "mechanical" supercharger known and serve by means of the supplied Compressed air to increase engine performance. Thereby relates the turbocharger draws its operating energy from the exhaust gas the vehicle, which has the advantage that A large compression in the upper speed range takes place, so here is a considerable achievement increase in the engine. Disadvantageous on the turbocharger, however, is that the compression in the lower ren speed range is low, so that here associated with low delivery performance of the drawer device no significant increase in performance of the Motors is reached.

Der herkömmliche "mechanische" Lader wird hingegen direkt von der Kurbelwelle des Motors angetrieben, so daß seine Lieferleistung im gesamten Betriebs bereich mit der Motordrehzahl verbunden ist. Gegenüber dem Turbolader hat der "mechanische" Lader den Vorteil, daß im unteren Drehzahlbereich eine wesentlich höhere Leistungssteigerung hervorgerufen wird. Bei Spitzen drehzahlen verschlingt der von der Kurbelwelle ange triebene Verdichter jedoch beträchtliche Antriebskräfte, die die Motorleistung entsprechend verringern, so daß der mechanische Lader nicht die Leistungssteigerung des Turboladers im oberen Drehzahlbereich erreicht.The conventional "mechanical" loader, however, is driven directly by the engine’s crankshaft, so that its delivery performance throughout the operation area is connected to the engine speed. Across from the advantage of the "mechanical" supercharger is that that in the lower speed range a much higher one Performance increase is caused. At peaks speeds devoured by the crankshaft driven compressors, however, considerable driving forces, which reduce the engine power accordingly, so that the mechanical loader does not increase performance of the turbocharger in the upper speed range.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät der betrachteten Art so weiter zu ent wickeln, daß es im gesamten Drehzahlbereich des Motors die Motorleistung erheblich erhöht, so daß sowohl beim normalen Fahrbetrieb als auch bei Spitzendrehzahlen erhebliche Leistungssteigerungen erzielt werden können.The present invention is based on the object a charger of the type under consideration wrap it across the engine speed range the engine power increased significantly, so that both normal driving as well as at top speeds significant increases in performance can be achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn zeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet. This object is achieved by the in the Kenn Character of claim 1 specified features solved. Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladegerät wird die Rotor einrichtung von einem eigens hierfür vorgesehenen Elektromotor angetrieben, dessen Drehzahl durch eine geeignete Steuereinrichtung stets auf die optimale Ladeleistung einstellbar ist. Der Elektromotor bezieht seine Antriebskraft aus der Batterie des zugehörigen Kraftfahrzeugs, so daß im Gegensatz zu dem herkömmlichen "mechanischen" Lader hierzu nicht die Motorleistung herangezogen werden muß. Damit läßt sich sowohl im unteren als auch im oberen Drehzahlbereich die Lade leistung, d.h. Druck und Volumen der geförderten Luft optimieren, so daß das erfindungsgemäße Ladegerät im unteren Drehzahlbereich dem herkömmlichen Turbolader und bei Spitzendrehzahlen dem herkömmlichen "mecha nischen" Lader überlegen ist.In the charger according to the invention, the rotor set up by a specially provided Electric motor driven by its speed a suitable control device always to the optimum Charging power is adjustable. The electric motor draws its driving force from the associated battery Motor vehicle, so that in contrast to the conventional "Mechanical" supercharger does not affect engine performance must be used. It can be used both in the drawer in the lower as well as in the upper speed range performance, i.e. Air pressure and volume optimize so that the charger according to the invention in lower speed range of the conventional turbocharger and at top speeds the conventional "mecha niche "loader is superior.

Mit großem Vorteil wird ferner vorgeschlagen, daß die Drehzahl des Elektromotors entsprechend der Stellung bzw. Betätigung des Gaspedals des zugehörigen Kraft fahrzeugs gesteuert wird. Damit ist die Lieferleistung des Laders im gesamten Betriebsbereich mit der Motor leistung eng verbunden, so daß die Ladeleistung des Verdichters automatisch mit den jeweiligen Anforderungen übereinstimmt.It is also proposed with great advantage that the Speed of the electric motor according to the position or actuation of the accelerator pedal of the associated force is controlled by the vehicle. So that's the delivery performance of the loader in the entire operating range with the engine performance closely linked, so that the charging performance of the Automatically with the respective requirements matches.

Zu Steuerung der Drehzahl des Elektromotors kann ein Potentiometer angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Drehpotentiometers oder Stabpotentiometers. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors eine mecha nische Kopplung mit dem Gaspedal des Kraftfahrzeugs z.B. in Form eines Seilzuges oder Gestänges vorgesehen sein. To control the speed of the electric motor, a Potentiometers can be arranged, for example in Shape of a rotary potentiometer or rod potentiometer. According to a further proposal of the invention Control the speed of the electric motor a mecha African coupling with the accelerator pedal of the motor vehicle e.g. provided in the form of a cable or linkage be.

Die Drehzahl des Elektromotors und damit die jeweilige Ladeleistung kann auch mittels eines elektronischen Regel- bzw. Ansteuerungssystems, vorzugsweise mittels eines Bordcomputers oder eines Mikroprozessors, ge steuert sein, was den Vorteil hat, daß eine äußerst präzise Steuerung der Ladeleistung gewährleistet ist.The speed of the electric motor and thus the respective Charging power can also be achieved using an electronic Control system, preferably by means of an on-board computer or a microprocessor, ge controls his, which has the advantage that an extreme precise control of the charging power is guaranteed.

Um die Leistungsfähigkeit des den Verdichter antreibenden Elektromotors zu erhöhen, kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ein Spannungswandler vorgesehen sein, der die Betriebsspannung des Elektromotors von 12 V auf beispielsweise 220 V erhöhen kann. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Rotoreinrich tung bzw. der Verdichter die erforderliche Verdichtungs- und Förderleistung erbringt.To the performance of the compressor Electric motor can increase after another Proposed the invention provided a voltage converter be the operating voltage of the electric motor from 12 V can increase to 220 V, for example. To this In this way it can be ensured that the rotor device device or the compressor the required compression and provides funding.

Die Rotoreinrichtung, die die Verbrennungsluft ansaugt, verdichtet und vorzugsweise über Schlauchleitungen einer Vergasereinrichtung oder direkt dem Verbrennungs raum des Motors zuführt, kann wenigstens ein, gegebenen falls zwei oder mehr Turbinenräder, Flügel- oder Schau felräder oder beispielsweise Schrauben- oder Spiral walzen aufweisen, wobei auch andere Verdichterformen in Betracht kommen. Selbstverständlich ist die Rotor einrichtung auf die jeweils erforderliche Verdichtungs- und Förderleistung auszulegen, wozu neben der Art des Verdichterrades und dessen Größe beispielsweise auch die Anzahl der Flügel bzw. Blätter zählt.The rotor device that draws in the combustion air compressed and preferably via hose lines a carburetor device or directly the combustion space of the engine, at least one, given if two or more turbine wheels, wing or show rock wheels or for example screw or spiral have rollers, with other forms of compressor be considered. Of course, the rotor set up for the required compaction and to interpret funding, which in addition to the type of Compressor wheel and its size, for example the number of wings or leaves counts.

Mit großem Vorteil wird vorgeschlagen, daß der Elektro motor in die Rotoreinrichtung integriert ist. Wenn der Elektromotor im Zentrum des Verdichterrades angeordnet ist, ergibt sich eins besonders kompakte, platzsparende Anordnung. It is proposed with great advantage that the electro motor is integrated in the rotor device. If the Electric motor arranged in the center of the compressor wheel is a particularly compact, space-saving Arrangement.

Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung das die Rotorein richtung umgebende Gehäuse des Verdichters durch eine sogenannte Lufthutze gebildet ist, die auf der Motor haube des zugehörigen Kraftfahrzeugs angeordnet sein kann. Die Lufthutze hat vorzugsweise an ihrem rück wärtigen Endabschnitt eine Eintrittsöffnung für die Verbrennungsluft, die von dem in der Lufthutze ange ordneten Rotor - beispielsweise einem Luft-Turbinen- oder Schaufelrad - angesaugt und durch eine Luftaus trittsöffnung ins Innere des Motorraumes gefördert wird, d.h. vorzugsweise über einen angeschlossenen Luftschlauch, der mit der Vergasereinrichtung oder direkt mit dem Verbrennungsraum des Motors verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die Verbrennungsluft von der Lufthutze abgeschirmt, an der der Fahrtrichtung abgewandten Seite angesaugt, so daß keinerlei Fremdpartikel infolge des Fahrtwindes in den Verdichter gelangen. Ein weiterer Vorteil dieser Aus gestaltung besteht darin, daß die an der Außenseite des Motorraums des Kraftfahrzeugs angesaugte Verbrennungs luft stets relativ geringe Temperaturen aufweist, so daß die dem Verbrennungsraum zugeführte verdichtete Ver brennungsluft trotz der mit dem Verdichten verbundenen Temperaturerhöhung noch eine relativ geringe Temperatur aufweist, die einen guten thermischen Wirkungsgrad zur Folge hat. Damit kommt das erfindungsgemäße Lade gerät ohne Ladeluftkühler aus, der bei den herkömmlichen Ladern häufig vorgesehen ist. This is particularly advantageous if after a another proposal of the invention that the rotor direction of the surrounding housing of the compressor by a so-called air scoop is formed on the engine hood of the associated motor vehicle may be arranged can. The air scoop preferably has on its back present end section an inlet opening for the Combustion air, which is indicated by that in the air scoop ordered rotor - for example an air turbine or paddle wheel - sucked in and through an air outlet promoted opening into the interior of the engine compartment will, i.e. preferably via a connected one Air hose connected to the carburetor device or directly connected to the combustion chamber of the engine is. In this embodiment of the invention Combustion air shielded from the air scoop on the the side facing away from the direction of travel, so that no foreign particles due to the wind in the Compressors arrive. Another advantage of this out design is that on the outside combustion engine sucked into the engine compartment of the motor vehicle air always has relatively low temperatures, so that the compressed Ver fed to the combustion chamber combustion air despite that associated with compression Temperature increase still a relatively low temperature has a good thermal efficiency has the consequence. So that the drawer according to the invention comes device without intercooler, which is the case with conventional Loaders are often provided.

Das erfindungsgemäße Ladegerät ist nicht nur bei Otto-, Diesel- und Wasserstoffmotoren, sondern auch bei sogenannten Elsbeth-Motoren anwendbar, die durch Biostoffe wie z.B. Rapsöl angetrieben werden. Das Ladegerät trägt nicht nur bei Saugmotoren, sondern auch bei Einspritzmotoren oder Motoren mit kombinierten Vergaser- und Einspritzanlagen zu einer erheblichen Leistungssteigerung bei.The charger according to the invention is not only at Otto, diesel and hydrogen engines, but also applicable to so-called Elsbeth engines, which by Organic materials such as Rapeseed oil can be driven. The Charger not only bears on naturally aspirated engines, but also for injection engines or engines with combined Carburetor and injection systems at a considerable Performance increase at.

Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen auf schematische Weise:Below are some preferred embodiments described the invention with reference to the drawing. In a schematic way:

Fig. 1A bis 8A verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladegeräts in Einbau lage, in Seitenansichten; Figs. 1A to 8A various embodiments of the charger according to the invention in the installed position, in side views;

Fig. 1B bis 8B die Anordnungen gemäß A in Aufsichten; FIG. 1B to 8B, the arrangements according to A in plan views;

Fig. 9A bis 11A verschiedene Ausführungsformen von mit Verdichtern versehenen Lufthutzen in teilweise geschnittenen Seitenan sichten und FIG. 9A to 11A show various embodiments of compressors provided with air intakes in partially cut Seitenan sift and

Fig. 9B bis 11B die Lufthutzen gemäß Figuren A in teilweise geschnittenen Aufsichten.9B to 11B show the air scoops according to FIGS . A in partially sectioned top views.

In den Fig. 1A und 1B ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts dargestellt, das zwei im Abstand voneinander angeordnete Lader 1 enthält, die jeweils über zwei Verbindungsschläuche 2 mit einem Vergaser 3 verbunden sind. Der Vergaser 3 ist auf her kömmliche Weise mit Luftansaugöffnungen 4 eines Trieb werksblocks 5 verbunden, von dem in der schematischen Darstellung ferner eine Ölwanne 6, ein Auspuffkrümmer 7, der Ventildeckel 8, eine Kurbelwellenriemenscheibe 9 und ein Lüfterrad 10 zur Kühlung des Motors zu erkennen sind.In FIGS. 1A and 1B a first embodiment of the charging device according to the invention which contains two spaced apart loader 1, which are each connected via two connecting hoses 2 with a carburetor. 3 The carburetor 3 is connected in a conventional manner with air intake openings 4 of an engine block 5 , from which an oil pan 6 , an exhaust manifold 7 , the valve cover 8 , a crankshaft pulley 9 and a fan wheel 10 for cooling the engine can also be seen in the schematic illustration .

Jeder Lader 1 enthält ein in einem Gehäuse 11 drehbar gelagertes Turbinenrad 12, das von einem im Zentrum des Turbinenrades 11 angeordneten Elektromotor 13 angetrieben wird, um Verbrennungsluft in das Gehäuse 12 anzusaugen, zu verdichten und - wie durch die Pfeile in Fig. 18 an gedeutet - in den Vergaser 3 zu fördern.Each supercharger 1 contains a turbine wheel 12 which is rotatably mounted in a housing 11 and is driven by an electric motor 13 arranged in the center of the turbine wheel 11 in order to draw combustion air into the housing 12 , compress it and - as indicated by the arrows in FIG. 18 - to promote in the carburetor 3 .

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Lader ist das Turbinen rad 11 vertikal angeordnet und wird um eine horizontale Welle gedreht. Die beiden Lader 1 werden den jeweiligen räumlichen Verhältnissen entsprechend mit einem zweck mäßigen Abstand voneinander angeordnet.In the loader shown in Fig. 1, the turbine wheel 11 is arranged vertically and is rotated about a horizontal shaft. The two loaders 1 are arranged according to the respective spatial conditions with an appropriate distance from each other.

Bei der in den Fig. 2A und 2B dargestellten Aus führungsform des Ladegeräts sind die Turbinenräder 11 der beiden Lader 1 horizontal angeordnet und werden von dem in ihrem Zentrum sitzenden Elektromotor 13 um eine vertikale Achse gedreht. Ansonsten stimmt diese Ausführungsform mit derjenigen gemäß Fig. 1 überein.In the embodiment of the charger shown in FIGS. 2A and 2B, the turbine wheels 11 of the two loaders 1 are arranged horizontally and are rotated about a vertical axis by the electric motor 13 seated in their center. Otherwise, this embodiment corresponds to that according to FIG. 1.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3A und 3B enthält das Ladegerät einen gemeinsamen Gehäuseblock 14 für zwei nebeneinander angeordnete Turbinenräder 15, die horizontal um eine vertikale Achse drehend ange ordnet sind. Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 4A und 4B sitzen die beiden Turbinenräder 16 an den stirnseitigen Enden eines gemeinsamen Gehäuseblocks 17 und sind auf horizontalen Wellen drehbar gehalten.In the embodiment according to FIGS. 3A and 3B, the charger contains a common housing block 14 for two turbine wheels 15 arranged side by side, which are arranged horizontally rotating about a vertical axis. In the embodiment according to FIGS. 4 A and 4 B, the two turbine wheels 16 are seated at the front ends of a common housing block 17 and are held rotatably on horizontal shafts.

Die Fig. 5A und 5B zeigen, daß die Verdichteranord nung 16, 17 auch unterhalb des Vergasers 3 angeordnet sein kann, wenn die räumlichen Gegebenheiten dies er fordern. FIGS. 5A and 5B show that the voltage Verdichteranord 16, 17 may be disposed also below the carburettor 3, when the spatial conditions so require it.

Die in den Fig. 6A und 6B dargestellte Ausführungs form der Erfindung enthält in zwei aneinander angrenzen den Gehäusen 18 jeweils ein um eine vertikale Achse drehendes Schaufelrad 19, in dessen Zentrum wiederum der antreibende Elektromotor angeordnet ist. Die Fig. 7A und 7B zeigen eine weitere Ausgestaltung, bei der das Ladegerät nur ein einziges Turbinenrad 21 enthält, das die verdichtete Verbrennungsluft direkt den Ver brennungsräumen des Motors zuführt. Die Fig. 8A und 8B zeigen rein schematisch weitere Verdichterformen, die sowol horizontal als auch vertikal angeordnet sein können.The embodiment of the invention shown in FIGS. 6A and 6B contains in two adjoining the housings 18 each a paddle wheel 19 rotating about a vertical axis, in the center of which the driving electric motor is arranged. FIGS. 7A and 7B show a further embodiment in which the charger contains only a single turbine 21, which directly feeds the brennungsräumen the Ver compressed combustion air of the engine. FIGS. 8A and 8B show further forms compressor purely schematically, as can be arranged vertically sowol horizontal well.

Während die in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ver dichter im Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind, zeigen die Fig. 9 bis 11 sogenannten Luft hutzen, die auf der Motorhaube eines Kraftfahrzeugs zu befestigen sind und Verbrennungsluft an der Außenseite der Motorhaube durch eine Eintrittsöffnung 22 ansaugen. Die Lufthutzen, die allgemein mit 23 bezeichnet sind, bilden gleichzeitig das Gehäuse des Rotors 24, der wiederum die Form eines Luftrades, Turbinenrades oder Schaufelrades haben kann, wie dies in den Fig. 9 bis 11 schematisch angedeutet ist. Die Eintrittsöffnung 22 für die angesaugte Verbrennungsluft befindet sich an der von der Fahrtrichtung des Fahrzeugs abgewandten Rückseite der Hutze 23.While Ver illustrated in FIGS. 1 to 8 are arranged more densely in the engine compartment of a motor vehicle, FIGS. 9 scoops to 11 so-called air, to be mounted on the bonnet of a motor vehicle and combustion air to the outside of the hood through an entrance opening 22 suck in. The air scoops, which are generally designated 23 , simultaneously form the housing of the rotor 24 , which in turn can have the shape of an air wheel, turbine wheel or paddle wheel, as is indicated schematically in FIGS . 9 to 11. The inlet opening 22 for the sucked-in combustion air is located on the rear of the hood 23 facing away from the direction of travel of the vehicle.

Die von dem Rotor 24 verdichtete Luft wird durch die Luftaustrittsöffnung 25 ins Innere des Motorraums ge fördert, wobei hierzu wiederum Verbindungsschläuche vorgesehen sind, die in der Zeichnung nicht darge stellt sind.The air compressed by the rotor 24 is conveyed through the air outlet opening 25 into the interior of the engine compartment, whereby in turn connecting hoses are provided, which are not shown in the drawing.

Claims

1. Charger for an internal combustion engine for the forced supply of combustion air, hydrogen or a gas mixture into a combustion chamber of the engine, with a rotor device which interacts with a surrounding housing so that the intake air compresses air and either in a Vergasereinrich device or directly in the Combustion chamber is promoted, characterized in that the rotor device ( 12 , 15 , 16 , 19 , 21 , 24 ) is driven by an electric motor ( 13 , 20 ).

2. Charger according to claim 1, characterized in that the speed of the electric motor ( 13 , 20 ) is controlled according to the position of the gas pedal of the associated motor vehicle.

3. Charger according to claim 1 or 2, characterized in that a potentiometer is arranged to control the speed of the electric motor ( 13 , 20 ).

4. Charger according to one of claims 1 to 3, characterized in that a mechanical coupling with the accelerator pedal of the motor vehicle is arranged to control the speed of the electric motor ( 13 , 20 ).

5. Charger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the speed of the electric motor ( 13 , 20 ) by means of an electronic control system, preferably by means of an on-board computer or a microprocessor, is controlled.

6. Charger according to one of claims 1 to 5, further characterized by a voltage converter for the electric motor ( 13 , 20 ).

7. Charger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rotor device has at least one turbine wheel ( 12 , 15 , 16 , 24 ).

8. Charger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rotor device has at least one impeller or paddle wheel ( 19 , 24 ).

9. Charger according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electric motor is integrated in the rotor device ( 12 , 15 , 16 , 19 , 21 , 24 ).

10. Charger according to one of claims 1 to 9, characterized in that the housing of the compressor is formed by an air scoop ( 23 ) which is arranged on the hood of the motor vehicle.

11. Charger according to claim 10, characterized in that the inlet opening ( 22 ) for the combustion air at the rear end section of the air scoop ( 23 ) is arranged.

12. Charger according to one of claims 1 to 11, characterized in that the rotor device ( 12 , 15 , 16 , 19 , 21 , 24 ) via a gear with the electric motor ( 13 , 20 ) is coupled.