DE10005246C1 - Exhaust gas turbocharger for IC engine has force acting on compressor shaft supported by magnetic bearing detected for controlling variable turbine geometry - Google Patents
Exhaust gas turbocharger for IC engine has force acting on compressor shaft supported by magnetic bearing detected for controlling variable turbine geometryInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbeg riff des Anspruches 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger after the Oberbeg reef of claim 1.
Abgasturbolader in Brennkraftmaschinen umfassen eine von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebene Abgasturbine sowie einen Verdichter, der von der Turbine angetrieben wird und der angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck ver dichtet. Die Rotoren der Abgasturbolader können hohe Drehzahlen erreichen, was zum einen eine sorgfältige Lagerung und zum an deren den Anschluss an ein Schmiersystem für die Schmierung der Lager erfordert. Das Schmiersystem des Abgasturboladers ist im allgemeinen an den Ölkreislauf des Motors angeschlossen, wobei grundsätzlich die Gefahr besteht, dass Öl des Ölkreislaufs auf der Turbinenseite oder auf der Verdichterseite in den Abgasbe reich bzw. den Luftbereich des Motors gelangt. Der Eintrag von Öl in die Motorluft kann dadurch noch verstärkt werden, dass beim Schließen einer stromauf des Verdichters im Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe ein vergleichsweise starker Unter druck im Verdichter wirksam wird, über den zusätzliches Öl in die Motorluft angesaugt wird.Exhaust gas turbochargers in internal combustion engines include one of those Exhaust gases of the internal combustion engine driven exhaust gas turbine as well a compressor that is driven by the turbine and that intake combustion air to an increased boost pressure seals. The turbocharger rotors can operate at high speeds achieve what, on the one hand, careful storage and on the other whose connection to a lubrication system for the lubrication of the Stock required. The exhaust system's lubrication system is in the generally connected to the engine oil circuit, whereby there is always a risk that oil in the oil circuit will open on the turbine side or on the compressor side in the exhaust gas reaches the air area of the engine. The entry of Oil in the engine air can be reinforced by the fact that when closing an upstream of the compressor in the intake tract arranged throttle valve a comparatively strong sub pressure in the compressor takes effect, via the additional oil in the engine air is drawn in.
Die Verunreinigung der Luft oder aber auch des Abgases mit Mo toröl führt zur Verschmutzung diverser Aggregate der Brenn kraftmaschine, insbesondere zu einer Verschmutzung von Rußfil tern, Ladeluft- oder Abgasrückführungskühler. Ein weiterer Nachteil liegt neben dem Verlust des Motoröls auch in der ge ringeren Lebensdauer des Motoröls, da die hohen Temperaturen auf der Turbinenseite sich nachteilig auf die Haltbarkeit aus wirken können. Schließlich wird auch das Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine nachteilig beeinflusst.The contamination of the air or the exhaust gas with Mo Toroil leads to contamination of various aggregates in the kiln Engine, in particular for contamination of soot fil intercooler or exhaust gas recirculation cooler. Another In addition to the loss of engine oil, the disadvantage also lies in the ge shorter life of the engine oil because of the high temperatures on the turbine side adversely affects durability can work. Finally, the emission behavior of the Internal combustion engine adversely affected.
Ein weiterer Nachteil ist in den reibungsbedingten Lagerverlus ten im Bereich der Lagerung der Welle des Abgasturboladers zu sehen. Der Lagerverlustanteil wirkt sich insbesondere im nied rigen Motor-Drehzahlbereich aus, bei dem lediglich ein ver gleichsweise geringer Abgasgegendruck für den Antrieb des La ders zur Verfügung steht, andererseits aber für einen schnellen Momentenaufbau ein erhöhter Ladedruck gewünscht wird. Die rei bungsbedingten Lagerverluste wirken sich im niederen Drehzahl bereich verhältnismäßig stark aus und stehen einem raschen Auf bau an Motormoment entgegen.Another disadvantage is the frictional loss of stock ten in the area of the bearing of the exhaust gas turbocharger see. The bearing loss share affects in particular in the low engine speed range, in which only a ver equally low exhaust back pressure for driving the La which is available, but on the other hand for a quick one Torque build-up an increased boost pressure is desired. The rei Exercise-related bearing losses affect the low speed area relatively strong and stand up quickly build against engine torque.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass insbesondere im Bereich hoher Laderdrehzahlen bereits geringe Störungen des Wellenlaufs zu hohen Unwuchten führen können, die von den Lagern aufgenom men werden müssen. Derartige Unwuchten können zu einem vorzei tigen Verschleiß und eingeschränkter Leistungsfähigkeit des Ab gasturboladers führen.Another problem is that in particular in the area high supercharger speeds, even slight disturbances in the shaft movement can lead to high imbalances, which are picked up by the bearings need to be. Such imbalances can lead to a premature wear and limited performance of the Ab lead gas turbocharger.
Aus der Druckschrift EP 0 392 677 B1 ist ein Turbolader mit ei ner Lagereinrichtung zur Aufnahme einer im Hochgeschwindig keitsbereich betriebenen Welle bekannt, wobei die Lagerungsein richtung ein einstellbares Funktionslager umfasst, welches in Abhängigkeit der Drehzahl der Welle zu betätigen ist. Das ein stellbare Funktionslager ist koaxial zur Welle angeordnet und besteht aus einem axial verschieblichen, ringähnlichen Lager teil, dessen radiale Innenseite auf einem konisch zulaufenden Flächenabschnitt der Welle aufsitzt. Das Lagerteil ist über ei ne Hydraulikvorrichtung zwischen einer Außereingriffstellung, in welcher das Lagerteil mit Abstand zum konischen Flächenab schnitt der Welle angeordnet ist, und einer Eingriffsstellung, in welcher die korrespondierenden Seiten flächig aneinander liegen, axial verstellbar. Oberhalb einer Schwellendrehzahl wird das Lagerteil in seine Eingriffsposition verstellt, wo durch radiale Auslenkbewegungen der Welle, welche insbesondere auf dynamische Unwuchten zurückzuführen sind, unterbunden wer den.EP 0 392 677 B1 describes a turbocharger with an egg ner storage facility to accommodate a high-speed keitsbereich operated shaft known, the Lagerein direction includes an adjustable functional bearing, which in Dependency of the speed of the shaft to be actuated. The one adjustable functional bearing is arranged coaxially to the shaft and consists of an axially displaceable, ring-like bearing part, the radial inside of which is tapered Surface section of the shaft sits. The bearing part is over egg ne hydraulic device between a disengaged position, in which the bearing part is spaced from the conical surface cut the shaft is arranged, and an engagement position, in which the corresponding pages are flat against each other lying, axially adjustable. Above a threshold speed the bearing part is moved into its engagement position where by radial deflection movements of the shaft, which in particular who are due to dynamic imbalances the.
Mit einem in dieser Weise ausgebildeten Turbolader ist es zwar möglich, dynamische Unwuchten, welche aus einer unsymmetrischen Gewichtsverteilung der Welle resultieren, und die darauf zu rückzuführenden radialen Auslenkungen der Welle zu unterdrü cken. Eine Verminderung von Lagerreibung ist mit diesem Abgas turbolader jedoch nicht zu erreichen. Es besteht vielmehr das Problem, dass in Eingriffstellung des hydraulisch betätigbaren Funktionslagers durch die Flächenpressung zwischen dem Lager teil und der konischen Außenfläche an der Welle die Lagerrei bung erhöht wird, was zur Folge hat, dass der verwertbare Leis tungsanteil reduziert wird und im übrigen ein Schmiersystem für das Funktionslager benötigt wird.It is true with a turbocharger designed in this way possible dynamic unbalances, which result from an asymmetrical Weight distribution of the shaft result, and the towards it to suppress the radial deflections due to the shaft tick. There is a reduction in bearing friction with this exhaust gas turbocharger cannot be reached. Rather, it exists Problem that in the engaged position of the hydraulically operated Functional bearing due to the surface pressure between the bearing part and the conical outer surface on the shaft the Lagerrei exercise is increased, which has the consequence that the usable leis is reduced and a lubrication system for the functional bearing is required.
Zur Reduzierung der Lagerreibung ist in der Druckschrift DE 41 05 258 A1 ein Magnetlager vorgesehen, über das die Welle von Turbomaschinen und Verdichtern gehalten ist. Auf Grund der be rührungslosen Lagerung entsteht keine Reibung bei der Rotation der Welle. Diese Druckschrift enthält jedoch keine Angabe über eine variable Einstellung des Ladedruckes und des Abgasge gendruckes bei einem Einsatz eines derartigen Magnetlagers in Abgasturboladern.To reduce the bearing friction is in DE 41 05 258 A1 a magnetic bearing is provided over which the shaft of Turbomachinery and compressors is kept. Due to the be contactless storage there is no friction during rotation the wave. However, this document contains no information about a variable setting of the boost pressure and the exhaust gas gene pressure when using such a magnetic bearing in Exhaust gas turbochargers.
Eine derartige veränderliche Einstellung, insbesondere in Ab hängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftma schine, kann beispielsweise über die Einstellung einer variab len Turbinengeometrie der Abgasturbine erreicht werden. Hierbei wird die Turbinengeometrie verändert, wodurch der wirksame Strömungsquerschnitt in der Abgasturbine und demzufolge auch der Abgasgegendruck veränderlich einstellbar ist, was Auswir kungen auf die Wellendrehzahl und damit auch auf die Verdich terleistung und den einzustellenden Ladedruck hat.Such a variable attitude, especially in Ab dependence of state and operating variables of the internal combustion engine machine, for example, by setting a variable len turbine geometry of the exhaust gas turbine can be achieved. Here the turbine geometry is changed, making the effective Flow cross section in the exhaust gas turbine and consequently also the exhaust back pressure is variably adjustable, which has an effect on the shaft speed and thus on the compression output and the boost pressure to be set.
Ein derartiger Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie ist in der DE 197 52 534 C1 beschrieben worden. Die variable Turbinengeometrie ist als Leitgitter ausgeführt, welches in ei nem radialen Strömungseintrittsquerschnitt in der Turbine ange ordnet ist, wobei durch Verstellung von Leitschaufeln im Leit gitter eine veränderliche Einstellung des Strömungsquerschnit tes erreicht wird. Die Einstellung der variablen Turbinengeo metrie erfolgt üblicherweise durch Messung des Ladedruckes und des Abgasgegendruckes.Such an exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry has been described in DE 197 52 534 C1. The variable Turbine geometry is designed as a guide grille, which in egg Nem radial flow inlet cross section in the turbine is arranged, whereby by adjusting guide vanes in the guide grid a variable setting of the flow cross-section tes is achieved. The setting of the variable turbine geo metry is usually done by measuring the boost pressure and the exhaust back pressure.
Auch bei derartigen Abgasturboladern ist darauf zu achten, dass die Lagerreibung in den die Laderwelle aufnehmenden Lagern ge ring gehalten wird, um Leistungsverluste zu reduzieren und ei nen guten Wirkungsgrad zu erzielen.Also with such exhaust gas turbochargers, care must be taken that the bearing friction in the bearings receiving the loader shaft ge ring is held to reduce power losses and egg to achieve good efficiency.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen Abgasturbola der anzugeben, der sich bei einem hohen Wirkungsgrad und einem verschleißarmen Betrieb durch eine gute Regelbarkeit auszeich net.The invention is based on the problem of an exhaust gas turbola to indicate the one with a high efficiency and one low-wear operation characterized by good controllability net.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst.This problem is solved according to the invention with the features of the Proverb 1 solved.
Über die Magnetlagerung wird die Welle des Verdichters in einer statischen Gleichgewichtslage gehalten, in welcher die Welle reibungsfrei umlaufen kann. Durch den Wegfall jeglicher Rei bungskräfte im Bereich des Magnetlagers kann der reibungsbe dingte Verlustanteil gegebenenfalls bis auf Null gesenkt wer den. Die reibungsfreie Lagerung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass auf ein Schmiersystem verzichtet werden kann, wo durch sich zum einen die konstruktive Ausführung des Verdich ters vereinfacht und zum anderen das Problem der Ölverschmut zung der Ansaugluft bzw. des Abgases und der mit der Ansaugluft bzw. dem Abgas in Kontakt tretenden Aggregate vermieden wird.Via the magnetic bearing, the shaft of the compressor is in one static equilibrium, in which the shaft can circulate smoothly. By eliminating any Rei The frictional forces in the area of the magnetic bearing can be reduced contingent loss share may be reduced to zero the. The frictionless storage also has the advantage that there is no need for a lubrication system where on the one hand the constructive execution of the compression ters and simplifies the problem of oil spills tion of the intake air or the exhaust gas and that with the intake air or the exhaust gas contacting aggregates is avoided.
Die Reduzierung der Lagerverluste bewirkt außerdem, dass be reits bei geringen Drehzahlen eine höhere Laderleistung zur Verfügung steht und ein Ladedruck aufgebaut werden kann, was insbesondere im transienten Bereich zu einem schnellen Anstieg der Ladedruckkurve und dementsprechend einem schnellen Motormo mentenanstieg führt.The reduction in inventory losses also causes be higher loader performance at low speeds Is available and a boost pressure can be built up what especially in the transient area to a rapid increase the boost pressure curve and accordingly a fast engine mo ment increase leads.
Die Magnetlagerung ist in konstruktiv einfacher Weise mit einem bestrombaren Elektromagneten ausgeführt, der die Welle des Ver dichters mit einer magnetischen Stützkraft beaufschlagt. In dieser Ausführung bildet zweckmäßig der bestrombare Elektromag net einen Stator, die Welle des Verdichters dagegen den Rotor. Die Größe der magnetischen Stützkraft ist in einfacher Weise ü ber die Bestromung des Stators steuerbar.The magnetic bearing is structurally simple with one energizable electromagnet running the shaft of Ver applied with a magnetic support force. In this version expediently forms the electromag net a stator, the shaft of the compressor against the rotor. The magnitude of the magnetic support force is simple Controllable by energizing the stator.
Der Verdichter ist Bestandteil eines Abgasturboladers in einer Brennkraftmaschine, wobei der Abgasturbolader vom Druck der Ab gase angetrieben wird und diese Bewegung über die Welle auf den Verdichter übertragen wird. Zusätzlich zur Abgasturbine kann als Antrieb auch ein Elektromotor vorgesehen sein, der in be stimmten Betriebsbereichen, insbesondere bei niedrigen Drehzah len, für einen zusätzlichen oder den alleinigen Antrieb der Welle sorgt und vorteilhaft in höheren Drehzahlbereichen als Generator eingesetzt wird.The compressor is part of an exhaust gas turbocharger in one Internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger from the pressure of the Ab Gases is driven and this movement on the shaft on the Compressor is transmitted. In addition to the exhaust gas turbine an electric motor can also be provided as the drive, which in be certain operating ranges, especially at low speeds len, for an additional or the sole drive of the Shaft ensures and advantageous in higher speed ranges than Generator is used.
Zusätzlich zur reibungsfreien Stabilisierung der Welle des Ver dichters bietet die Magnetlagerung weitere Vorteile. In Abhän gigkeit einer der die Magnetlagerung bestimmenden Größen kann eine variabel einstellbare Turbinengeometrie der Abgasturbine eingestellt, insbesondere geregelt werden. Hierzu werden die auf die Welle wirkenden Axialkräfte gemessen, wobei diese Axi alkräfte als Maßstab für die Druckdifferenz zwischen dem Lade druck auf der Ansaugseite und dem Abgasgegendruck auf der Ab gasseite herangezogen werden.In addition to the frictionless stabilization of the shaft of the ver The magnetic bearing offers further advantages. Depending ability of one of the variables determining the magnetic bearing a variably adjustable turbine geometry of the exhaust gas turbine adjusted, in particular regulated. For this, the measured axial forces acting on the shaft, these Axi forces as a measure of the pressure difference between the drawer pressure on the intake side and the exhaust gas back pressure on the down gas side can be used.
Es können auch weitere Aggregate der Brennkraftmaschine, bei spielsweise ein die Durchflussmenge beeinflussendes Stellglied in einer Abgasrückführungseinrichtung, in Abhängigkeit einer der die Magnetlagerung bestimmenden Größen eingestellt werden.Other units of the internal combustion engine can also be used for example, an actuator influencing the flow rate in an exhaust gas recirculation device, depending on of the sizes determining the magnetic bearing.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Magnetlagerung ei ne Lageregelung unterlegt, bei der die Lage der Welle des Ver dichters über einen Sensor festgestellt wird und in einer Re gel- und Steuereinheit durch einen Soll-Ist-Vergleich ein Stellsignal erzeugt wird, über das die Bestromung des Elektro magneten in der Weise einstellbar ist, dass der Lage-Istwert an einen Sollwert angeglichen wird. Diese Ausführung zeichnet sich durch eine hohe Dynamik aus, da auf mechanisch träge Stellglie der zur Positionierung der Welle verzichtet werden kann und statische Lageänderungen der Welle innerhalb kürzester Reakti onszeiten durch eine Änderung in der Bestromung ausgeführt wer den können. Darüber hinaus ist eine besonders präzise Einstel lung der Lage der Welle möglich.According to an advantageous embodiment, the magnetic bearing is egg ne position control under which the position of the shaft of the ver is detected via a sensor and in a Re gel and control unit by a target-actual comparison Control signal is generated, via which the electrical current is supplied magnet is adjustable in such a way that the actual position value a target value is adjusted. This version stands out due to its high dynamics, due to the mechanically sluggish actuator which can be dispensed with for positioning the shaft and Static changes in the position of the shaft within the shortest possible reaction ons times by a change in the current supply that can. It is also a particularly precise setting position of the shaft possible.
Alternativ oder ergänzend zu einer Lageregelung kann auch eine Regelung eines anderen Typs, insbesondere eine Kraftregelung, durchgeführt werden.As an alternative or in addition to a position control, a Control of another type, in particular force control, be performed.
Die Welle wird vorteilhaft über zwei axial beabstandete radiale Magnetlager bzw. in einer weiteren zweckmäßigen Ausführung über ein axiales Magnetlager am Gehäuse des Verdichters abgestützt, wobei die Radiallager bevorzugt aus vier die Welle in gleichmäßigen Winkelabständen radial umgreifenden Einzelmagneten beste hen. In dieser Ausführung können fünf Freiheitsgrade der Welle abgestützt werden, ohne den sechsten Freiheitsgrad - die Wel lenrotation - zu beeinflussen.The shaft is advantageous over two axially spaced radial Magnetic bearings or in a further expedient version an axial magnetic bearing is supported on the housing of the compressor, the radial bearing preferably consisting of four the shaft in uniform Best angular distances radially encompassing individual magnets hen. In this version, five degrees of freedom of the shaft be supported without the sixth degree of freedom - the wel lenrotation - to influence.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent nehmen. Es zeigen:Further advantages and practical designs are the others Entities, the description of the figures and the drawings ent to take. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschi ne mit Abgasturbolader mit Magnetlagerung, Fig. 1 is a schematic representation of a Brennkraftmaschi ne with turbocharger with magnetic storage,
Fig. 2 einen Abgasturbolader mit Magnetlagerung im Schnitt. Fig. 2 shows an exhaust gas turbocharger with magnetic bearings in section.
Die Brennkraftmaschine gemäß Fig. 1 weist eine Mehrzahl von Ag gregaten auf, die die Funktion der Brennkraftmaschine beein flussen, insbesondere einen Abgasturbolader 2, eine Abgasrück führungseinrichtung 10, welche eine einstellbare Verbindung zwischen dem Abgasstrang 4 und dem Ansaugtrakt 6 der Brenn kraftmaschine schafft, sowie eine Regel- und Steuereinheit 11, welche die Aggregate der Brennkraftmaschine 1 steuert bzw. re gelt. Der Abgasturbolader 2 umfasst in einem Gehäuse 8 eine Ab gasturbine 3 im Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine sowie ei nen mit der Abgasturbine 3 über eine Welle 7 verbundenen Ver dichter 5 im Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine. Die Abgas turbine 3 ist vorteilhaft mit einer variabel einstellbaren Tur binengeometrie 9 ausgestattet, über die der wirksame Turbinen eintrittsquerschnitt in Abhängigkeit des Zustandes der Brenn kraftmaschine einstellbar ist.The internal combustion engine of FIG. 1 comprises a plurality of Ag gregaten, which influence striking the function of the internal combustion engine, especially an exhaust gas turbocharger 2, an exhaust gas recirculation device 10, which combustion engine an adjustable connection between the exhaust line 4 and the intake 6 of the internal manages, and a regulating and control unit 11 , which controls or regulates the units of the internal combustion engine 1. The exhaust gas turbocharger 2 comprises, in a housing 8, an exhaust gas turbine 3 in the exhaust line 4 of the internal combustion engine and a compressor connected to the exhaust gas turbine 3 via a shaft 7 5 in the intake tract 6 of the internal combustion engine. The exhaust gas turbine 3 is advantageously equipped with a variably adjustable turbine geometry 9 , via which the effective turbine inlet cross section can be set as a function of the state of the internal combustion engine.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Abgasturbine 3 von den unter dem Abgasgegendruck p3 stehenden Abgasen im Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine angetrieben, wobei die Bewegung der Turbine 3 über die Welle 7 auf den Verdichter 5 übertragen wird, welcher mit Umgebungsdruck pU angesaugte und in einem Luftfilter 12 gereinigte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Druck p2 verdichtet. Nach der Kühlung in einem stromab des Verdichters 5 angeordneten Ladeluftkühlers 13 tritt die Verbrennungsluft mit dem Ladedruck P2S in den Einlass der Brennkraftmaschine 1 ein.During operation of the internal combustion engine, the exhaust gas turbine 3 is driven upstream of the exhaust gas turbine by the exhaust gases in the exhaust line 4 under the exhaust gas counter pressure p 3 , the movement of the turbine 3 being transmitted via the shaft 7 to the compressor 5 , which is sucked in at ambient pressure p U and in an air filter 12 compressed combustion air to an increased pressure p 2 . After cooling in a charge air cooler 13 arranged downstream of the compressor 5 , the combustion air enters the inlet of the internal combustion engine 1 with the boost pressure P 2S .
Die Abgasrückführungseinrichtung 10 umfasst ein einstellbares Rückführungsventil 15 sowie einen Abgasrückführungskühler 14. Der in den Ansaugtrakt zurückgeleitete Abgasmassenstrom wird durch eine entsprechende Einstellung des Abgasrückführungsven tils 15 in Abhängigkeit des Zustands der Brennkraftmaschine be stimmt.The exhaust gas recirculation device 10 comprises an adjustable recirculation valve 15 and an exhaust gas recirculation cooler 14 . The exhaust gas mass flow returned into the intake tract is determined by a corresponding setting of the exhaust gas recirculation valve 15 as a function of the state of the internal combustion engine.
Auf der Abgasseite der Brennkraftmaschine wird das Abgas nach dem Durchströmen der Abgasturbine 3 sowie eines Schalldämpfers bzw. Katalysators 16 auf den Umgebungsdruck pU entspannt und in die Atmosphäre abgeleitet.On the exhaust gas side of the internal combustion engine, the exhaust gas, after flowing through the exhaust gas turbine 3 and a muffler or catalytic converter 16, is expanded to the ambient pressure p U and discharged into the atmosphere.
Die variable Turbinengeometrie 9 kann als axial in den Turbi neneintrittsquerschnitt zu verschiebendes Turbinenleitgitter ausgebildet sein oder aber auch als Leitgitter mit drehbaren Leitschaufeln ausgeführt sein. Als variable Turbinengeometrie im weiteren Sinne kommen auch Varioturbinentypen in Frage, ins besondere Klappenturbinen.The variable turbine geometry 9 can be designed as a turbine guide vane to be displaced axially in the turbine inlet cross-section or can also be designed as a guide vane with rotatable guide vanes. Varioturbine types can also be considered as variable turbine geometry in the broader sense, in particular flap turbines.
Die Aggregate der Brennkraftmaschine 1 sind in Abhängigkeit des Zustandes der Brennkraftmaschine über die Regel- und Steuerein heit 11 einzustellen. Es werden insbesondere Gaswechselventile 17 in der Brennkraftmaschine, der Abgasturbolader 2 und die Ab gasrückführungseinrichtung 10 über die Regel- und Steuereinheit 11 eingestellt. The units of the internal combustion engine 1 are set depending on the state of the internal combustion engine via the control unit 11 . In particular, gas exchange valves 17 in the internal combustion engine, the exhaust gas turbocharger 2 and the gas recirculation device 10 are set via the regulating and control unit 11 .
Wie Fig. 1 weiterhin zu entnehmen, zweigt stromauf einer Dros selstelle 18, die im Ansaugtrakt 6 vor dem Verdichter 5 ange ordnet ist, eine Verzweigungsleitung 19 ab, über die ein Teil der angesaugten Frischluft in das Gehäuse 8 des Abgasturbola ders 2 zur Kühlung des Lagers eingeleitet wird. Über eine Rück führleitung 20 wird der abgezweigte Teilstrom der Kühlluft nach dem Austritt aus dem Gehäuse 8 des Abgasturboladers 2 wieder in den Ansaugtrakt 6 zurückgeführt und mündet zweckmäßig stromab der Drosselstelle 18 und stromauf des Verdichters 5 in den An saugtrakt.As can also be seen in FIG. 1, upstream of a Dros selstelle 18 , which is arranged in the intake tract 6 in front of the compressor 5 , a branch line 19 , via which part of the fresh air drawn into the housing 8 of the exhaust gas turbo 2 for cooling the Camp is initiated. Via a return line 20 , the branched-off partial flow of the cooling air is returned to the intake tract 6 after exiting the housing 8 of the exhaust gas turbocharger 2 and expediently flows downstream of the throttle point 18 and upstream of the compressor 5 into the intake tract.
Der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 ist zu entnehmen, dass das Turbinenrad 21 der Turbine 3 des Abgasturboladers 2 über die Welle 7 mit dem Verdichterrad 22 des Verdichters 5 verbunden ist. Die im Gehäuse 8 geführte Welle 7 ist über eine Magnetla gerung 23 gegenüber dem Gehäuse 8 abgestützt. Die Magnetlage rung 23 sorgt für eine nahezu reibungsfreie, statische Abstüt zung der rotierenden Welle 7 im Gehäuse 8 des Abgasturboladers 2. Die Abstützung erfolgt vorteilhaft in der Weise, dass abge sehen von der Rotation der Welle 7 um ihre Längsachse sämtliche Wellenfreiheitsgrade durch die Magnetlagerung 23 gebunden und beeinflussbar sind. Die Magnetlagerung 23 umfasst vorteilhaft ein axiales Magnetlager 24, über das die axiale Bewegung der Welle 7 in Richtung ihrer Längsachse abgefangen ist, sowie zweckmäßig zwei radiale Magnetlager 25, 26, welche axial zuein ander beabstandet sind und die Welle 7 radial abstützen.The sectional view according to FIG. 2 shows that the turbine wheel 21 of the turbine 3 of the exhaust gas turbocharger 2 is connected to the compressor wheel 22 of the compressor 5 via the shaft 7 . The guided in the housing 8 shaft 7 is supported by a Magnetla 23 against the housing 8 . The magnetic position tion 23 ensures an almost frictionless, static support of the rotating shaft 7 in the housing 8 of the exhaust gas turbocharger 2 . The support is advantageously carried out in such a way that, seen from the rotation of the shaft 7 about its longitudinal axis, all shaft degrees of freedom can be bound and influenced by the magnetic bearing 23 . The magnetic bearing 23 advantageously comprises an axial magnetic bearing 24 , via which the axial movement of the shaft 7 is intercepted in the direction of its longitudinal axis, and expediently two radial magnetic bearings 25 , 26 , which are axially spaced from one another and support the shaft 7 radially.
Jedes Magnetlager der Magnetlagerung 23 besteht aus einem oder mehreren bestrombaren, gehäusefest angeordneten Elektromagne ten, der axial bzw. radial eine Magnetkraft auf die Welle 7 ausübt. Die gehäusefesten Elektromagnete übernehmen die Funkti on eines Stators, die Welle 7 die Funktion eines Rotors. Über die Stärke der Bestromung der Elektromagnete kann die auf die Welle 7 wirkende Magnetkraft beeinflusst werden. Zweckmäßig sind insbesondere die radialen Magnetlager 25, 26 jeweils win kelsymmetrisch zur Längsachse der Welle 7 verteilt angeordnet um die Welle 7 radial vollständig einzuschließen. Durch eine gezielte Bestromung der über den Umfang gleichmäßig verteilten Einzelmagnete eines Magnetlagers 25, 26 kann die radiale Posi tion der Welle 7 beeinflusst werden, indem durch eine unter schiedlich hohe Bestromung eine unterschiedlich hohe Magnet kraft in den Einzelmagneten erzeugt wird.Each magnetic bearing of the magnetic bearing 23 consists of one or more energizable, fixed to the housing arranged electromagnetic th, which exerts a magnetic force axially or radially on the shaft 7 . The electromagnets fixed to the housing perform the function of a stator, the shaft 7 the function of a rotor. The magnetic force acting on the shaft 7 can be influenced via the strength of the energization of the electromagnets. In particular, the radial magnetic bearings 25 , 26 are expediently arranged so as to be angularly symmetrical to the longitudinal axis of the shaft 7 in order to completely enclose the shaft 7 radially. Through a targeted energization of the evenly distributed over the circumference individual magnets of a magnetic bearing 25 , 26 , the radial position of the shaft 7 can be influenced by a differently high magnetic force is generated in the individual magnets by a differently high current.
Sowohl die radialen Magnetlager 25, 26 als auch das axiale Ma gnetlager 24 halten die Welle 7 in einer statischen Gleichge wichtslage, in welcher die Welle 7 berührungsfrei zwischen den Einzelmagneten der Magnetlager gehalten ist.Both the radial magnetic bearings 25 , 26 and the axial magnetic bearing 24 hold the shaft 7 in a static equilibrium position, in which the shaft 7 is held contact-free between the individual magnets of the magnetic bearings.
Das axiale, gehäusefest angeordnete Magnetlager 24, über das die axiale Position der Welle 7 zu beeinflussen ist, besteht aus axial beabstandeten Einzelmagneten, die axial auf unter schiedlichen Seiten einer kraftübertragenden, fest mit der Wel len 7 verbundenen Scheibe 27 angeordnet sind. Je nach Bestrom ung der auf unterschiedlichen Seiten der Scheibe 27 angeordne ten Einzelmagnete des Magnetlagers 24 wird eine auf die Scheibe wirkende resultierende Magnetkraft erzeugt, die in Achsrichtung der Welle 7 gerichtet ist und eine axiale Verstellung der Welle 7 in die eine oder die andere Achsrichtung bewirkt.The axial, fixed to the housing magnetic bearing 24 , via which the axial position of the shaft 7 is to be influenced, consists of axially spaced individual magnets, which are arranged axially on different sides of a force-transmitting, firmly connected to the shaft 7 7 disk 27 . Depending on the current supply to the individual magnets of the magnetic bearing 24 arranged on different sides of the disk 27 , a resulting magnetic force acting on the disk is generated, which is directed in the axial direction of the shaft 7 and causes an axial displacement of the shaft 7 in one or the other axial direction .
Zwischen den Einzelmagneten der axial beabstandeten Magnetlager 25, 26 ist ein Isolator 28 angeordnet, der ein gegenseitiges Durchdringen der Magnetfelder der Magnetlager 25 und 26 verhin dern soll um sicher zu stellen, dass die einzelnen Magnetlager 25 und 26 unabhängig voneinander eingestellt werden können.An insulator 28 is arranged between the individual magnets of the axially spaced magnetic bearings 25 , 26 , which is intended to prevent mutual penetration of the magnetic fields of the magnetic bearings 25 and 26 in order to ensure that the individual magnetic bearings 25 and 26 can be adjusted independently of one another.
Zur Bestimmung der Position der Welle 7 im Gehäuse 8 sind Ab standssensoren 29 vorgesehen, über die die radiale zweckmäßig aber auch die axiale Position der Welle 7 relativ zum Gehäuse 8 festgestellt werden kann. Bei einer Abweichung der tatsächli chen radialen und/oder axialen Lage der Welle 7 von entspre chenden Sollwerten werden die Einzelmagnete der Magnetlager in der Weise bestromt, dass die Lage der Welle korrigiert wird und eine Angleichung an die Sollwerte erreicht wird. Dadurch ist es möglich die Störungen, welche im laufenden Betrieb des Abga sturboladers auftreten könne, auszugleichen. Auf Grund der ver gleichsweise geringen Eigendynamik der Magnetlager kann die La gekompensation mit sehr geringer zeitlicher Verzögerung durch geführt werden.To determine the position of the shaft 7 in the housing 8 From position sensors 29 are provided, via which the radial but also the axial position of the shaft 7 can be determined relative to the housing 8 . If the actual radial and / or axial position of the shaft 7 deviates from corresponding target values, the individual magnets of the magnetic bearings are energized in such a way that the position of the shaft is corrected and an adjustment to the target values is achieved. This makes it possible to compensate for the malfunctions that may occur during the operation of the Abga turbocharger. Due to the comparatively low inherent dynamics of the magnetic bearings, the storage compensation can be carried out with a very short time delay.
Im Bereich eines Eintrittsstutzens 30, über den die angesaugte Verbrennungsluft dem Verdichter 5 zuzuführen ist, kann ein Ver stärker bzw. eine Leistungselektronik und/oder ein Regler 31 für den Soll-Ist-Abgleich der Position der Welle 7 sowie die Erzeugung und Verstärkung eines Stromsignals für die Magnetla ger vorgesehen sein. Die Anordnung im Eintrittsbereich des Ver dichters 5 sorgt für eine ausreichende Kühlung von Verstärker bzw. Regler 31, welcher zweckmäßig in der Wandung des Ein trittsstutzens 30 angeordnet ist.In the area of an inlet connector 30 , through which the intake of combustion air is to be fed to the compressor 5 , a power unit or power electronics unit and / or a controller 31 can be used for the target / actual comparison of the position of the shaft 7 and the generation and amplification of a current signal be provided for the Magnetla ger. The arrangement in the entry area of the United poet 5 ensures sufficient cooling of the amplifier or controller 31 , which is expediently arranged in the wall of the inlet connector 30 .
Um die wärmeentwickelnden Einzelmagnete der Magnetlager zu küh len wird ein Teilstrom der angesaugten Verbrennungsluft strom auf des Eintritts in den Verdichter 5 des Abgasturboladers 2 abgezweigt und über eine Lufteintrittsöffnung 32 im Gehäuse 8 des Laders in Pfeilrichtung 33 radial einem inneren Lagergehäu se 36 zu geführt, in welchem die Magnetlager zur Stützung der Welle 7 aufgenommen sind. Die zugeführte Verbrennungsluft kühlt das innere Lagergehäuse 36 und die darin aufgenommenen Magnet lager und verlässt radial das Gehäuse 8 über eine Luf taustrittsöffnung 34 in Pfeilrichtung 35. Nach dem Austritt aus dem Gehäuse 8 wird die Verbrennungsluft zweckmäßig wieder in den Ansaugtrakt stromauf des Verdichters eingeleitet und dem Verdichter zugeführt.In order to cool the heat-developing individual magnets of the magnetic bearings, a partial flow of the intake combustion air is branched onto the inlet into the compressor 5 of the exhaust gas turbocharger 2 and radially guided through an air inlet opening 32 in the housing 8 of the charger in the arrow direction 33 to an inner bearing housing 36 in which the magnetic bearings are added to support the shaft 7 . The supplied combustion air cools the inner bearing housing 36 and the magnetic bearings contained therein and radially leaves the housing 8 via an air outlet opening 34 in the direction of arrow 35 . After exiting the housing 8 , the combustion air is expediently introduced into the intake tract upstream of the compressor and fed to the compressor.
Alternativ zu einer Luftkühlung kann auch eine Wasserkühlung zur Kühlung des Verstärkers bzw. Reglers 31 und/oder der Ma gnetlager vorgesehen sein.As an alternative to air cooling, water cooling can also be provided for cooling the amplifier or controller 31 and / or the magnetic bearing.
Zur thermischen Isolation des Turbinenrades 21 gegenüber der Magnetlagerung 23 kann axial zwischen dem Turbinenrad 21 und dem Magnetlager 23 ein Hitzeschild 37 angeordnet sein.For the thermal insulation of the turbine wheel 21 relative to the magnetic bearing 23 may be disposed axially between the turbine wheel 37 and 21 the magnetic bearing 23, a heat shield.
Um eine unzulässig hohe Abweichung der Position der Welle 7 vom Sollzustand zu vermeiden, können Fanglager 38, 39 angeordnet sein, die die Position der Welle 7 radial, zweckmäßig aber auch axial abfangen. Sofern die statische Position der Welle 7 in nerhalb eines gegebenen Toleranzspektrums liegt, kommt die Wel le 7 mit den Fanglagern 38, 39 nicht in Berührung. Falls das Toleranzspektrum überschritten wird, wird die weitere radiale bzw. axiale Auslenkung der Welle 7 durch die Fanglager aus Si cherheitsgründen begrenzt.In order to avoid an inadmissibly high deviation of the position of the shaft 7 from the desired state, catch bearings 38 , 39 can be arranged which intercept the position of the shaft 7 radially, but also expediently axially. Provided that the static position is located in nerhalb a given tolerance range of the shaft 7, the Wel 39 is not le 7 with the back-up bearings 38, in contact. If the tolerance range is exceeded, the further radial or axial deflection of the shaft 7 is limited by the safety bearings for safety reasons.
Es kann vorteilhaft sein, an Stelle oder zusätzlich zur Lagere gelung der Welle eine Kraftregelung vorzusehen. Die Informatio nen über den Istzustand der Welle, welche über entsprechende Sensoren ermittelt werden, können der Regelung von Zustandsgrö ßen weiterer, der Brennkraftmaschine zugeordneter Aggregate verwendet werden. Es kann beispielsweise zweckmäßig sein, in Abhängigkeit der Axialkräfte, welche von der Welle 7 auf das Gehäuse ausgeübt werden, auf die Druckdifferenz zwischen Lade druck und Abgasgegendruck zu schließen und diese Druckdifferenz der Regelung insbesondere der Abgasrückführmenge und/oder des über die variable Turbinengeometrie einstellbaren Turbinenein trittsquerschnitts zu Grunde zu legen.It may be advantageous to provide force control in place of or in addition to the bearing effect of the shaft. The information about the actual state of the shaft, which are determined by means of corresponding sensors, can be used to control state variables of further units associated with the internal combustion engine. For example, depending on the axial forces exerted on the housing by the shaft 7, it may be expedient to infer the pressure difference between the charge pressure and the exhaust gas counterpressure and this pressure difference in the control, in particular the exhaust gas recirculation quantity and / or the turbine which can be set via the variable turbine geometry step cross-section as a basis.
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