DE69017386T2

DE69017386T2 - Maschine mit magnetischem Schwungrad.

Info

Publication number: DE69017386T2
Application number: DE69017386T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: EP0433040A1; DE69017386D1; JPH03182633A; EP0433040B1; JP3023510B2; US5341060A; US5214333A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine mit einem Schwungrad, ausgestattet mit an dem äußeren Umfang eines Schwungrades montierten Permanentmagneten und einem den Permanentmagneten gegenübergestelltem Stator zur Erzeugung elektrischer Energie, um bei langsamer Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine einen Turbolader bei der Erhöhung eines Ladedruckes zu unterstützen.
Herkömmliche Kraftmaschinen besonders Zweitaktmotoren müssen vorverdichtet werden. Da Ausstoß- und Saugtakte eines Zweitaktmotors gleichzeitig geleistet werden, werden die Abgase durch die eintretende Ansaugluft aus einem Zylinder gepreßt, und folglich muß die Ansaugluft in den Zylinder gedrückt werden.
Verschiedene Vorrichtungen sind vorgestellt worden, um Ansaugluft mit Druck in den Zylinder zu führen. Eines der vorgeschlagenen Einheiten ist ein Turbolader, welcher eine mit der Abgasenergie drehbare Abgasturbine und einen durch die Abgasturbine drehbaren Verdichter zur Förderung von Luft in den Zylinder aufweist.
Da der Zweitaktmotor bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle einen Arbeitstakt hat, ist die freiwerdende Abgasmenge größer als diejenige eines Viertaktmotors. Der Zweitaktmotor ist somit für den Betrieb eines Turboladers geeignet.
Allerdings liefert selbst der Zweitaktmotor bei langsamer Umdrehungsgeschwindigkeit nur eine geringe Menge an Abgasenergie und die Luft kann bei solchen geringen Mengen an Abgasenergie nicht effektiv in den Zylinder gedrückt werden.
Zur Überwindung des obengenannten Nachteiles wird im EP-A- 0215 589 ein Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine vorgestellt, die mit der drehbaren Welle des Turboladers verbunden ist. Die rotierenden elektrischen Maschine wird bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine mit elektrischer Energie versorgt, so daß sie wie ein Motor arbeitet, um den Turbolader beim Aufbau des Ladedruckes zu unterstützen.
Wird die elektrische Energie für die rotierende elektrische Maschine von einer Batterie bereitgestellt, ist die Batterie bezüglich Abmessung, Gewicht und Volumen groß.
Gemäß einem weiteren Vorschlag wird eine Wiedergewinnungsturbine der Abgasturbine nachgeschaltet und treibt zur Erzeugung elektrischer Energie einen Generator an. Dreht die Kraftmaschine mit langsamer Geschwindigkeit, ist die Energie des verfügbaren Abgases gering, so daß jedoch die Obengenannte nicht gelöst bzw. betrieben werden kann.
Das Dokument EP-A-0349 151, eine Schrift entsprechend dem Artikel 54(3) EPÜ, beschreibt unter Einbeziehung eines mit der Ausgangsleistung der Kraftmaschine betreibbaren Generators ein System zum Betrieb eines Turboladers, der an einem Verbrennungsmotor installiert und mit einer an einer drehbaren Welle des Turboladers montierten rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist. Die vom Generator erzeugte elektrische Energie wird mit einer Steuereinheit über einen Wechselrichter der rotierenden elektrischen Maschine gesteuert zugeleitet, wenn die rotierende elektrische Maschine wie ein Elektromotor in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Kraftmaschine betrieben wird.
Erfindungsgemäß wird ein Maschinensystem geschaffen, mit einer Kraftmaschine, die Kraftmaschine umfaßt ein Schwungrad mit mehreren Permanentmagneten, welche an dessem äußerem Umfang befestigt sind und alternierend unterschiedliche Magnetpole aufweisen, einem Stator, welcher zu radialen Außenenden der Permanentmagneten in gegenüberstehender Relation angeordnet ist, so daß elektrische Energie als Reaktion auf Drehung des Schwungrades induziert wird, einem Turbolader zur Zuführung von Luft unter Druck zur Kraftmaschine, wobei der Turbolader eine drehbare Welle aufweist, eine an der drehbaren Welle angeordnete rotierende elektrische Maschine und Einrichtungen, um die von dem Stator induzierte elektrische Energie der rotierenden elektrischen Maschine zu zuleiten, so daß der Turbolader bei der Zuführung von Luft unter Druck unterstützt wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine geringer als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist. Der Stator induziert auch dann effektiv elektrische Energie, die der rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird, wenn die Kraftmaschine mit langsamer Geschwindigkeit dreht.
Die obenerwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen verdeutlicht, in denen ein erfindungsgemaßes bevorzugtes Ausführungsbeispiel als erläuterndes Beispiel dargestellt ist.
Die einzige Abbildung ist eine Frontalansicht, teilweise aufgebrochen und in Blockform einer erfindungsgemäßen Maschine mit Schwungrad.
Die Abbildung zeigt einen Zweitaktmotor 1, welcher bei jeder Rotation einer Kurbelwelle ihren Arbeitstakt wiederholt. Die Kraftmaschine 1 hat ein Abgasrohr 11, das sich bis zu einem Abgasturbinengehäuse eines Turboladers 12 mit einer rotierenden elektrischen Maschine erstreckt und mit diesem verbunden ist.
Der Turbolader 12 enthält eine Abgasturbine und einen Kompressor, die koaxial zueinander befestigt sind. Die rotierende elektrische Maschine ist an der drehbaren Welle des Turboladers 12 angeordnet, welche die Abgasturbine mit dem Kompressor verbindet. Die rotierende elektrische Maschine arbeitet wie ein Motor, wenn sie mit elektrischer Energie einer externen Quelle versorgt wird. Der Kompressor steht mit einem Ansaugrohr 13 in Verbindung, welches einen Zylinder des Zweitaktmotors 1 mit komprimierter Luft speist.
Ein Schwungrad 2 mit mehreren Permanentmagneten 21, die an dessen äußerem Umfang angeordnet sind, ist an die drehbare Welle der Kraftmaschine 1 gekoppelt. Die Permanentmagneten 21 weisen Magnetpole an ihren radialen Außenseiten auf, und die Magnetpole tragen alternierend unterschiedliche Polaritäten. Die radialen Innenbegrenzungen der Permanentmagneten 21 haften gegen einen magnetischen Ring 22 aus magnetischem Material.
Ein Stator 3 ist angrenzend an den äußeren Umfang des Schwungrades 2 angeordnet. Der Stator 3 enthält ein Magnetpolpaar, welches den äußeren Magnetpolen zweier der Permanentmagneten 21 gegenübersteht, und eine um einen die Magentpole des Stators 3 miteinander verbindenden Kern gewikkelte Spule.
Die Spule des Stators 3 und die rotierende elektrische Maschine sind elektrisch mit einer Steruereinheit 4 verbunden, welche ebenfalls mit einer Batterie 5 gekoppelt ist.
Die Steuereinheit 4 steuert den Fluß der elektrischen Energie. Bei spezifischer Betrachtung wird elektrische Energie des Stators 3 und der Batterie 5 der rotierenden elektrischen Maschine durch die Steuereinheit 4 dann zugeleitet, wenn die Kraftmaschine 1 mit langsamer Geschwindigkeit dreht. Bei hoher Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine 1 wird die von der rotierenden elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie durch die Steuereinheit 4 der Batterie 5 zugeleitet.
Im folgenden wird die Betriebsweise der Kraftmaschine 1 beschrieben.
Dreht die Kraftmaschine mit langsamer Geschwindigkeit, strömen Abgase in geringen Mengen vom Abgasrohr 11 dem Turbolader 12 zu, und daher nimmt der Ladedruck angesaugter dem Ansaugrohr 13 zugeleiteter Luft nicht zu. Die Steuereinheit 4 wandelt Gleichstrom einer vorgegebenen Frequenz um, und speist den Wechselstrom in die rotierende elektrische Maschine des Turboladers 12 ein. Die rotierende elektrische Maschine arbeitet dann wie ein Motor, bzw. dreht bei einer Drehgeschwindigkeit, die der Frequenz des eingespeisten Wechselstroms entspricht, so daß der Kompressor beim Verdichten der Luft unterstützt wird.
Das Schwungrad 2 hat einen relativ großen Durchmesser. Beträgt der Durchmesser des Schwungrades 2 400 mm, erzeugt bei dessen Umdrehungsgeschwindigkeit von 1000 rpm der Stator 3 die elektrische Energie, welche der durch einen Generator mit einem Kern von 40 mm Durchmesser und drehend mit 10 000 rpm erzeugten elektrischen Energie entspricht.
Bei zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine 1 und Anstieg der Abgasenergie vom Abgasrohr 11 über ein für den Betrieb des Turboladers 12 ausreichendes Niveau, unterbricht die Steuereinheit 4 die elektrische Energiezufuhr der rotierenden elektrischen Maschine. Zu diesem Zeitpunkt kann die durch den Stator 3 generierte elektrische Energie in der Batterie 5 gespeichert werden, oder der Stator 3 kann so eingerichtet werden, daß keine Last auf das Schwungrad 2 übertragen wird, womit sich auf das Schwungrad 2 wirkende Bremskräfte reduzieren. Überschreitet die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine 1 den Punkt, an dem die Abgasenergie den Wert, der für den Vorverdichtungsprozeß notwendig ist, übersteigt, verbindet die Steuereinheit 4 die rotierende elektrische Maschine mit einer Last, so daß diese wie ein Generator arbeitet. Damit wird die überschüssige Abgasenergie in elektrische Energie umgewandelt, die zum Laden der Batterie 5 verwendet wird.
Obwohl ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben wurde, sollte es selbstverständlich sein, daß viele Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne daß der Umfang der beigefügten Patentansprüche verlassen wird.

Claims

1. Ein Kraftmaschinensystem mit:

einer Kraftmaschine, wobei die Kraftmaschine ein Schwungrad mit mehreren Permanentmagnet enthält, welche an dessen äußerem Umfang montiert sind und alternierend unterschiedliche Magnetpole aufweisen;

einem Stator, welcher zu radialen Außenenden der Permanentmagneten in gegenüberstehender Relation angeordnet ist, so daß elektrische Energie als Reaktion auf Drehung des Schwungrades induziert wird;

einem Turbolader, um Luft unter Druck der Kraftmqaschine zu zuliefern, wobei der Turbolader eine drehbare Welle aufweist;

einer rotierenden elektrischen Maschine, welche an dieser Welle angeordnet ist; und

Einrichtungen, um die von dem Stator erzeugte elektrische Energie der rotierenden elektrischen Maschine zu zuleiten, so daß der Turbolader bei der Zuführung von Luft unter Druck unterstützt wird, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit der Kraftmaschine geringer als eine vorgegebene Geschwindigkeit ist.

2. Kraftmaschinensystem entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes Kraftmaschinensystem einen Zweitaktmotor umfaßt.