DE10050161A1

DE10050161A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers

Info

Publication number: DE10050161A1
Application number: DE10050161A
Authority: DE
Inventors: Paul Loeffler; Siegfried Sumser; Peter Fledersbacher; Friedrich Wirbeleit
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-04-18
Also published as: US20020041813A1; US6481205B2; FR2815080B1; FR2815080A1

Abstract

Ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist eine im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter auf, der über eine Welle mit der Turbine verbunden ist. Weiterhin ist ein in das Ladergehäuse integrierter Elektromotor vorgesehen, dessen Rotor koaxial zur Welle angeordnet ist. DOLLAR A Zusätzlich zum Verdichterrad ist ein Luftförderer im Einströmbereich des Verdichters angeordnet, wobei der Rotor des Elektromotors mit dem Luftförderer verbunden und die Drehbewegung des Luftförderers vom Rotor unabhängig von der Drehbewegung des Turbinenrades einstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb eines Abgas turboladers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 14.

Ein derartiger Abgasturbolader wird in der Druckschrift US 6 029 452 beschrieben. In den Abgasturbolader ist ein Elektromo tor integriert, der insbesondere in niedrigen Last- und Dreh zahlbereichen, in denen ein lediglich geringer Abgasgegendruck zum Antrieb des Laders aufgebaut werden kann, zur Unterstützung des Abgasturboladers herangezogen wird. Der Elektromotor ist zwischen Verdichter und Turbine des Laders auf der Welle ange ordnet und drehfest mit dieser verbunden. Bei einer Betätigung des Elektromotors werden die Welle und der Verdichter zusätz lich zur Betätigung über die Abgasturbine vom Elektromotor an getrieben, so dass bereits bei niedriger Last und Drehzahl ein erhöhter Ladedruck aufgebaut werden kann, der dem Motor zur Steigerung der Motorleistung zuzuführen ist.

Mit diesem Abgasturbolader ist zwar eine gezielte Unterstützung der Laderleistung über den Elektromotor möglich. Bei jeder Zu schaltung des Elektromotors müssen jedoch zusätzlich zu der be wegten Läufermasse des Elektromotors auch die Welle, das Turbi nenrad und das Verdichterrad mit beschleunigt werden, wobei diese drehbeweglichen Teile des Laders üblicherweise ein erheb lich höheres Massenträgheitsmoment aufweisen als der Rotor des Elektromotors und deshalb einen verhältnismäßig hohen Energie aufwand für die Rotationsbeschleunigung erfordern, der vom Elektromotor bereit gestellt werden muss. Aufgrund der hohen Trägheit weist der Abgasturbolader außerdem ein schlechtes An sprechverhalten im transienten Bereich auf. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens ist wiederum ein erhöhter Energiebedarf bzw. ein Elektromotor in einer größer dimensionierten Ausfüh rung erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Abgasturbolader mit elektromotorischem Zusatzantrieb bzw. ein Verfahren hierzu anzugeben, der bzw. das sich durch einen geringen Energiebedarf auszeichnet und mit dem das transiente Verhalten des Abgastur boladers verbessert wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruches 1 bzw. 14 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader ist ein Luftförderer koaxial zur Welle im Einströmbereich des Verdichters angeord net, insbesondere stromauf des Verdichterrades. Der Luftförde rer bildet ein zusätzliches Bauteil zum Verdichterrad und kann unabhängig vom Turbinenrad bewegt werden. Der Luftförderer wird vom Rotor des elektromotorischen Zusatzantriebs beaufschlagt. Da keine starre, drehfeste Verbindung im Übertragungsweg zwi schen Luftförderer und Turbinenrad besteht, ist es möglich, den Elektromotor und somit auch den Luftförderer unabhängig von ei ner Bewegung des Turbinenrades zu betätigen. Rotorbewegung und Turbinenradbewegung sind entkoppelt. Dies bietet den Vorteil, dass bei einer Betätigung des Elektromotors die Masse des Tur binenrades nicht mitbeschleunigt werden muss, wodurch sich der Energiebedarf des Elektromotors verringert und/oder der Elekt romotor kleiner dimensioniert werden kann.

Mit Hilfe des Luftförderers kann mehr Verbrennungsluft durch den Verdichter gefördert und insbesondere auf einen erhöhten, den Zylindereinlässen des Motors zuzuführenden Ladedruck komp rimiert werden. Der Rotor des Elektromotors kann einen Bestand teil des Luftförderers bilden und gegebenenfalls auch mit dem Luftförderer identisch sein. Der Rotor des Elektromotors kann aber auch als vom Luftförderer eigenständig ausgebildetes, je doch drehfest mit diesem verbundenes Bauteil ausgeführt sein.

Der Luftförderer kann mit dem Verdichterrad bzw. einem Teil des Verdichterrades ein gemeinsames Bauteil bilden, so dass Luft förderer und Verdichterrad drehstarr miteinander verbunden sind und gemeinsam umlaufen. In diesem Fall kann die Übertragungs kette zwischen Verdichterrad und Turbinenrad unterbrochen wer den, wodurch die Bewegung des gesamten Verdichterrades ein schließlich Luftförderer von der Bewegung des Turbinenrades entkoppelt werden kann.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung kann es aber auch angezeigt sein, eine Relativdrehung des Luftförderers gegenüber dem Verdichterrad zu ermöglichen. In dieser Ausführung über nimmt der Rotor zusätzlich oder alternativ zum Verdichterrad die Funktion der Luftförderung durch den Verdichter. Die Bewe gungen des Luftförderers und des Verdichterrades können entkop pelt werden. Eine zusätzliche Bewegungsunterbrechung im Über tragungsweg zwischen Verdichterrad und Turbinenrad ist darüber hinaus grundsätzlich möglich.

Der Luftförderer ist insbesondere stromauf des Verdichterrades im Eingangsbereich des Verdichters als Vorsatzläufer zum Ver dichterrad angeordnet.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist die Drehrichtung des Rotors des Elektromotors umkehrbar und kann insbesondere sowohl gleichsinnig als auch gegenläufig zur Drehrichtung des Turbi nenrades erfolgen. Auf diese Weise kann über eine Betätigung des Elektromotors mit gleichsinniger Drehrichtung von Turbine und Rotor des Elektromotors die von der Turbine aufzubringende Arbeit durch Zuschaltung des Elektromotors unterstützt werden. Außerdem ist es durch Umkehrung der Drehrichtung des Rotors ge genläufig zur Drehrichtung der Turbine möglich, den Luftförde rer als Drosseleinrichtung einzusetzen, wodurch am Verdichter radeintritt eine Sperrwirkung erzielt wird. Gegebenenfalls kann über den Luftförderer auch ein Unterdruck im Lufteinlass der Brennkraftmaschine erzeugt werden, so dass prinzipiell auf eine Drosselklappe im Lufteinlassbereich verzichtet werden kann.

Im Übertragungsweg zwischen dem Luftförderer und dem Turbinen rad ist bevorzugt eine Kupplung angeordnet, welche gemäß einer ersten zweckmäßigen Ausführung zwischen Luftförderer und Ver dichterrad und gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführung zwischen Verdichterrad und Welle bzw. zwischen Welle und Turbi nenrad angeordnet ist, wobei gegebenenfalls auch eine Kombina tion von beiden Möglichkeiten in Betracht kommt. Eine Kupplung zwischen dem als Vorsatzläufer ausgebildeten Luftförderer und dem Verdichterrad als separat vom Luftförderer ausgebildeten Bauteil hat den Vorteil, dass bei ausgerückter Kupplung ledig lich die Drehmasse des Rotors und des Luftförderers zu be schleunigen ist, wohingegen die Drehmassen von Verdichterrad, Welle und Turbinenrad bei einer Betätigung des Elektromotors von diesem nicht in Rotation versetzt werden müssen. Die vom E lektromotor anzutreibenden Drehmassen können dadurch sehr klein gehalten werden. Durch die Luftförderung durch den Vorsatzläu fer wird selbst bei still stehendem Verdichterrad bzw. einem mit nur geringer Drehzahl umlaufenden Verdichterrad bereits ein erhöhter Ladedruck erreicht. Sobald die Verdichterdrehzahl die Rotordrehzahl des Elektromotors erreicht, kann die Kupplung zwischen Luftförderer und Verdichterrad eingerückt werden, um eine drehstarre Verbindung zwischen diesen Bauteilen herzustel len, woraufhin der Luftförderer stromlos mitbewegt werden kann. Die für den Antrieb des Laders aufzubringende Energie wird in diesem Fall ausschließlich über den Abgasgegendruck bereitge stellt.

In der Ausführung mit einer Kupplung zwischen Verdichterrad und Welle bzw. zwischen Welle und Turbinenrad ist das Verdichterrad von der Bewegung des Turbinenrades entkoppelbar. Diese Ausfüh rung bietet sich insbesondere für den Fall an, dass der Luft förderer unmittelbar in das Verdichterrad integriert ist bzw. mit diesem drehstarr zusammen hängt und die Bewegung des Luft förderer und des Verdichterrades unabhängig von der Turbinen radbewegung erfolgen soll.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Kupplungs betätigung mit der Betätigung des Elektromotors gekoppelt, ins besondere in der Weise, dass die Kupplung bei einer Betätigung des Elektromotors automatisch ausgerückt wird und bei einer Ausschaltung des Elektromotors automatisch wieder eingerückt wird. Aufgrund dieser funktionalen Verbindung von Kupplungsbe tätigung und Betätigung des Elektromotors ist automatisch si chergestellt, das bei einer Betätigung des Elektromotors nur die geringst mögliche Drehmasse beschleunigt werden muss.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren darge stellt und werden im Folgenden beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Abgasturbolader, dessen Verdichter ein Verdichterrad und einen als Vorsatz läufer ausgebildeten Rotor eines Elektromotors auf weist, wobei der Vorsatzläufer und das Verdichterrad eine drehfeste Baueinheit bilden, deren Bewegung von der Drehbewegung der Laderwelle entkoppelt werden kann,

Fig. 2 einen Abgasturbolader in einer modifizierten Ausfüh rung, in der das Vorsatzläuferrad vom Verdichterrad entkoppelt werden kann,

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Ausführung, jedoch mit ei nem modifizierten Elektromotor,

Fig. 4 einen Verdichter mit einem elektromotorisch angetrie benen Vorsatzläufer, der unabhängig vom Verdichterrad umlaufen kann,

Fig. 5 ein Schaubild mit dem Verlauf der Verdichterraddreh zahl und der Turbinenraddrehzahl, dargestellt für ei nen Abgasturbolader in der Ausführung nach Fig. 1,

Fig. 6 ein Fig. 5 entsprechendes Schaubild, dargestellt für einen Abgasturbolader in der Ausführung nach Fig. 2,

Fig. 7 ein Fig. 5 bzw. 6 entsprechendes Schaubild, darge stellt für einen Abgasturbolader in der Ausführung nach Fig. 3,

Fig. 8 ein weiteres Schaubild mit dem Verlauf der Verdich terraddrehzahl und der Vorsatzläuferdrehzahl, darge stellt für einen Drosselbetrieb des Vorsatzläufers.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be zugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 dargestellt Abgasturbolader 2 beherbergt in einem Ladergehäuse 2 eine Abgasturbine 3 und einen Verdichter 5, wo bei das Turbinenrad 6 der Abgasturbine 3 über eine Welle 4 mit dem Verdichterrad 7 des Verdichters 5 verbunden ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine kann das Turbinenrad 6 von den unter Druck stehenden Abgasen des Motors angetrieben werden; die Tur binenradbewegung wird über die Welle 4 auf das Verdichterrad 7 übertragen, welches über einen Einströmbereich 8 im Verdichter 5 Verbrennungsluft ansaugt und auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, mit dem die Verbrennungsluft dem Motor zugeführt wird.

Zur Unterstützung der Betriebsweise des Laders insbesondere in niedrigen Last- und Drehzahlbereichen, in denen lediglich ein geringer Abgasgegendruck erzeugbar ist und dementsprechend auch nur ein geringer Ladedruck generiert werden kann, ist ein Elektromotor 9 auf der Verdichterseite vorgesehen, welcher einen im Einströmbereich 8 angeordneten und koaxial zur Welle bzw. dem Verdichterrad 7 angeordneten Rotor 10 und einen gehäusefes ten Stator 11 umfasst. Der Elektromotor 9 kann in Abhängigkeit des aktuellen Zustands der Brennkraftmaschine bzw. des Abgas turboladers zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden. Der Rotor 10 des Elektromotors 9 ist als Luftförderer bzw. Vorsatzläufer ausgebildet und befindet sich in Strömungsrichtung der zu för dernden Verbrennungsluft gesehen stromauf des Verdichterrades 7 im Einströmbereich 8.

Die Zu- und Abschaltung des Elektromotors 9 erfolgt über Stell signale einer Regel- und Stelleinheit in Abhängigkeit des Zu stands der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasturboladers.

Der Rotor 10 des Elektromotors 9 ist strömungsgünstig kontu riert und fördert bei einer gleichsinnigen Drehrichtung mit dem Verdichterrad 7 die in den Einströmbereich 8 gelangende Verbrennungsluft in Richtung des Verdichterauslasses. Der Rotor 10 ist in der Lage, unabhängig bzw. zusätzlich zum Verdichter rad 7 Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck zu verdich ten.

In der Ausführung gemäß Fig. 1 bilden, das Verdichterrad 7 und der Rotor 10 eigenständige Baueinheiten, die jedoch drehfest miteinander verbunden sind. Der Rotor 10 sitzt stirnseitig auf der Nabe des Verdichterrades 7 auf. Der Rotor 10 ist koaxial zur Längsachse der Welle 4 gelagert, jedoch nicht mit der Welle 4 verbunden.

Das Verdichterrad 7 ist über ein Drehlager 12 frei drehbar ge genüber der Welle 4 gelagert. Eine drehfeste Verbindung zwi schen Verdichterrad 7 und Welle 4 kann über eine Kupplung 13 erzielt werden, die zwischen der Mantelfläche der Welle 4 und der Innenseite eines zylindrischen Hohlraums in der Nabe des Verdichterrades 7 angeordnet ist. Bei eingerückter Kupplung 13 sind Verdichterrad 7, Rotor 10 und Welle 4 drehfest miteinander verbunden, bei ausgerückter Kupplung 13 können dagegen die Wel le 4 und das Turbinenrad 6 auf der einen Seite und das Verdich terrad 7 und der Rotor 10 auf der anderen Seite unabhängig von einander umlaufen.

In der Ausführung gemäß Fig. 2 sind das Turbinenrad 6 und das Verdichterrad 7 über die Welle 4 drehfest und unlösbar mitein ander verbunden. Der Rotor 10 des Elektromotors 9 befindet sich wiederum im Einströmbereich 8 des Verdichters 5 stromauf des Verdichterrades 7 und bildet gegenüber diesem einen Vorsatzläu fer. Der Rotor 10 sitzt auf der Welle 4 auf und ist über ein Drehlager 12 drehbar gegenüber der Welle 4 abgestützt. Der Ro tor 10 kann somit unabhängig von der Welle 4 und dem Verdich terrad 7 umlaufen.

Der Rotor 10 sitzt axial an einer Stirnseite der Nabe des Ver dichterrades 7 auf und kann axial zwischen einer in Drehrich tung formschlüssig verbindenden Kopplungsposition mit dem Ver dichterrad 7 und einer Freilaufposition verschoben werden, wo bei die Freilaufstellung des Rotors 10 bei einer axialen Ver schiebung entgegengesetzt zum Verdichterrad 7 erreicht wird. Der Rotor 10 wird axial von einer Feder 14 in Richtung seiner Freilaufstellung beaufschlagt, so dass bei abgeschaltetem Elektromotor 9 der Rotor 10 sich in seiner Freilaufstellung be findet und - von einem möglichen Reibschluss zwischen Rotor 10 und Welle 4 abgesehen - der Rotor unbeeinflusst von der Wellen bewegung bleibt.

Der Stator 11 im Ladergehäuse 2 ist in Bezug auf den Rotor 10 in der Weise angeordnet, dass der Rotor 10 in seiner Freilauf stellung, die der Rotor bei abgeschaltetem Elektromotor ein nimmt, axial geringfügig außerhalb seiner symmetrischen Positi on relativ zum Stator 11 liegt. Wird der Elektromotor 9 einge schaltet, wird eine axiale elektromagnetische Rückstellkraft erzeugt, die den axial verschieblich gelagerten Rotor in eine symmetrische Position zum Stator 11 bringt, wobei dieses sym metrische Position mit der Kopplungsposition zum Verdichterrad 7 übereinstimmt. Bei ausgeschaltetem Elektromotor ist somit die Verbindung von Rotor und Verdichterrad unterbrochen, bei einge schaltetem Elektromotor ist dagegen die Verbindung hergestellt und Rotor und Verdichterrad können drehfest gemeinsam umlaufen.

Auch beim Abgasturbolader 1 gemäß Fig. 3 bilden Welle 4, Turbi nenrad 6 und Verdichterrad 7 eine drehfeste Einheit, gegenüber der der Rotor 10 des Elektromotors 9 in bestimmten Betriebszu ständen der Brennkraftmaschine bzw. des Abgasturboladers frei umlaufen kann. Die konstruktive Ausführung entspricht im we sentlichen derjenigen des Abgasturboladers aus Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, dass die in Achsrichtung wirkende Feder 14 den Rotor 10 in Richtung seiner Kopplungsstellung mit dem Ver dichterrad 7 beaufschlagt, so dass bei unbestromtem Elektromo tor 9 der Rotor 10 sich in seiner Kopplungsstellung befindet und drehfest mit dem Verdichterrad 7 verbunden ist. In Kopp lungsstellung des Rotors 10 ist dieser gegenüber dem Stator 11 im Gehäuse 2 asymmetrisch gelagert, so dass bei einer Bestro mung des Elektromotors 9 eine axiale elektromagnetische Kraft auf den Rotor 10 wirkt, die diesen in eine symmetrisch zum Sta tor 11 liegende Position verschiebt, welche identisch ist mit der Freilaufstellung des Rotors 10. Somit befindet sich der Ro tor 10 bei unbetätigtem Elektromotor 9 in seiner Kopplungsstel lung mit dem Verdichterrad 7, bei bestromtem Elektromotor ist der Rotor 10 dagegen ausgerückt, so dass das Verdichterrad 7 unabhängig vom Rotor 10 umlaufen kann.

Beim Abgasturbolader 1 gemäß Fig. 4 bilden die Welle 4, das Verdichterrad 7 sowie das Turbinenrad eine drehfeste Einheit. Im Einströmbereich 8 des Verdichters 5 ist ein stationärer Elektromotor 9 angeordnet, dessen Rotor einen Vorsatzläufer 15 antreibt, der unmittelbar stromauf des Verdichterrades 7 koaxi al zu diesem angeordnet ist. Der Vorsatzläufer 15 ist aus schließlich mit dem Rotor des Elektromotors 9 verbunden. Der Vorsatzläufer 15 kann unabhängig vom Verdichterrad 7 und der Welle 4 umlaufen; es besteht keine mechanische Kopplung zwi schen Vorsatzläufer 15 und Verdichterrad 7 oder Welle 4. Der Elektromotor 9 hängt über Verstrebungen 16 an einem Einpassring 17, der in den Einströmkanal des Verdichters 5 eingesetzt ist. Die Verstrebungen 16 sind strömungsgünstig konturiert und ent halten Leitungen 18, über die der Elektromotor gesteuert und angetrieben wird. Der über die Verstrebungen 16 mit dem Ein passring 17 verbundene Elektromotor 9 bildet gemeinsam mit dem Vorsatzläufer 15 eine zusammen hängende Baueinheit, die gegebe nenfalls als Nachrüstsatz in bestehende Abgasturbolader integ riert werden kann.

Im Betrieb des Abgasturboladers 1 kann der Vorsatzläufer 15 insbesondere in niedrigen Last-/Drehzahlbereichen vom Rotor des Elektromotors zur Erzeugung eines erhöhten Ladedrucks angetrie ben werden. Die Drehzahl des Vorsatzläufers 15 bestimmt sich in niedrigen Last-/Drehzahlbereichen nach dem zu erzeugenden Lade druck stromab des Verdichters und wird vom Elektromotor 9 unab hängig von der Laderdrehzahl eingestellt. In höheren Last-/Drehzahlbereichen, in denen die Gesamtleistung des Laders im Wesentlichen über die Abgasturbine bereit gestellt wird, wird vorteilhaft die Drehzahl des Vorsatzläufers 15 mit der Verdich terdrehzahl synchronisiert.

In Fig. 5 ist ein Drehzahl-Zeit-Diagramm mit den Drehzahlver läufen n_V für den Verdichter und n_T für die Turbine für den Ab gasturbolader aus Fig. 1 für das Beschleunigen dargestellt. Im Anfangszeitraum zwischen t₀, und t₁ ist der Elektromotor ausge schaltet, die Turbine und der Verdichter des Abgasturboladers laufen mit gleicher Drehzahl n_T und n_V um. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Elektromotor eingeschaltet (gekennzeichnet mit EM_ein), wor aufhin die Drehzahl n_V des Verdichters aufgrund der unabhängi gen Lagerung von Turbine und Verdichter auf einen die Drehzahl n_T der Turbine übertreffenden Wert ansteigt; der Verdichter wird über den Elektromotor auf eine höhere Drehzahl beschleu nigt als die Turbine des Abgasturboladers über den Abgasge gendruck.

Befindet sich die Brennkraftmaschine in Beschleunigungszustand, so steigt der Abgasgegendruck an und die Turbinendrehzahl n_T nimmt stark zu. Im Zeitpunkt t₂ schneiden sich die Drehzahlkur ven n_V und n_T des Verdichters bzw. der Turbine in einem Kupp lungspunkt K; zu diesem Zeitpunkt t₂ wird eine zwischen der Welle des Abgasturboladers und dem Verdichterrad angeordnete Überholkupplung eingerückt, wodurch zwischen Turbine, Welle und Verdichter eine drehstarre Verbindung hergestellt wird, so dass in weiteren Verlauf Turbine und Verdichter mit gleicher Dreh zahl umlaufen.

Unmittelbar nach dem Einrücken der Überholkupplung wird zu ei nem Zeitpunkt t₃ der Elektromotor ausgeschaltet (gekennzeichnet mit EM_aus). Der Verdichter wird nun im weiteren Verlauf aus schließlich über die Turbine angetrieben.

Das Drehzahl-Zeit-Diagramm aus Fig. 6 entspricht einem Be schleunigungsvorgang mit einem Abgasturbolader nach Fig. 2. Im Zeitraum zwischen t₀ und t₁ ist der Elektromotor ausgeschaltet. Der Rotor des Elektromotors, welcher den Vorsatzläufer stromauf des Verdichterrades bildet, ist vom Verdichterrad entkoppelt und kann unabhängig von diesem umlaufen. Der Verdichter bildet dagegen zusammen mit der Welle und der Turbine eine drehstarre Baueinheit, die mit der Laderdrehzahl n_ATL umläuft. Der Vorsatz läufer besitzt eine hiervon abweichende Drehzahl n_Vor, die im Ausführungsbeispiel reibungsbedingt etwas geringer ist als die Laderdrehzahl n_ATL.

Zum Zeitpunkt t₁ wird der Elektromotor eingeschaltet (EM_ein) und die Kupplung zwischen Vorsatzläufer und Verdichterrad wird ge schlossen, so dass der Vorsatzläufer nunmehr die gleiche Dreh zahl n_Vor aufweist wie das Verdichterrad, die Welle und das Tur binenrad, die mit der Laderdrehzahl n_ATL umlaufen.

Das Drehzahl-Zeit-Diagramm gemäß Fig. 7 entspricht dem Abgas turbolader nach Fig. 3, dargestellt für einen Beschleunigungs vorgang. Gemäß dem mit durchgezogener Linie dargestellten Ver lauf wird zum Zeitpunkt t₀ der Elektromotor eingeschaltet (EM_ein), woraufhin der Rotor des Elektromotors, der den Vorsatz läufer stromauf des Verdichterrades bildet, vom Verdichterrad gelöst wird und unabhängig von diesem gemäß seinem elektrischen Antrieb mit der vergleichsweise hohen Drehzahl n_Vor umlaufen kann, welche signifikant höher ist als die Laderdrehzahl n_ATL, mit der auch das Verdichterrad umläuft. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Elektromotor ausgeschaltet, woraufhin durch die Federkraft beaufschlagung der Rotor in eine Kupplungsposition mit dem Ver dichterrad verbracht wird, so dass nach Beendigung des Kupp lungsvorganges, der im Zeitraum Δt_K zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ stattfindet, der Vorsatzläufer mit der gleichen Drehzahl n_Vor umläuft wie das Verdichterrad, das die Laderdrehzahl n_ATL aufweist.

Der mit gestrichelter Linie eingetragene Verlauf in Fig. 7 stellt eine Kombination der Abgasturbolader aus Fig. 1 und Fig. 3 dar. In dieser Kombination existiert sowohl zwischen dem Ro tor des Elektromotors und dem Verdichterrad als auch zwischen dem Verdichterrad und der Welle jeweils eine Kupplung und ein Drehlager, so dass das Verdichterrad unabhängig von Welle und Turbine und der Rotor des Elektromotors unabhängig vom Verdich terrad umlaufen kann. Im Anfangszeitraum zwischen t₀ und t₁ ist der Elektromotor eingeschaltet, so dass der Vorsatzläufer unab hängig vom Verdichterrad umlaufen kann und insbesondere eine höhere Drehzahl als dieses einnehmen kann. Zugleich ist die Kupplung zwischen Verdichterrad und Welle geschlossen, so dass Verdichterrad, Welle und Turbine mit der Laderdrehzahl n_ATL um laufen. Mit dem Ausschalten des Elektromotors zum Zeitpunkt t₁ wird zugleich die Kupplung zwischen Verdichterrad und Welle ausgerückt, so dass das Verdichterrad nunmehr unabhängig von Welle und Turbine umlaufen kann. Da mit dem Ausschalten des Elektromotors die Verbindung zwischen Vorsatzläufer und Verdich terrad geschlossen wird, wird das Verdichterrad aufgrund der höheren Drehzahl n_Vor des Vorsatzläufers und der entsprechend häheren Rotationsenergie des Vorsatzläufers innerhalb sehr kur zer Zeit auf eine hohe Drehzahl n_V beschleunigt, welche die Drehzahl n_T der Turbine bzw. der Welle übersteigt. Im Zeitpunkt t₃ erreicht die Turbine aufgrund des ansteigenden Abgasge gendrucks im Kopplungspunkt K die gleiche Drehzahl n_T wie das mit der Drehzahl n_V umlaufende Verdichterrad, woraufhin die Kupplung zwischen Welle und Verdichterrad geschlossen wird und im weiteren Verlauf ab dem Zeitpunkt t₃ die Turbine, die Welle, der Verdichter und der Vorsatzläufer eine drehstarre Einheit bilden.

In dem Drehzahl-Zeit-Diagramm nach Fig. 8 ist ein Betrieb des Rotors des Elektromotors als Drossel dargestellt. Die Drossel wirkung wird insbesondere durch eine Umkehr der Drehrichtung des Rotors bzw. Vorsatzläufers des Elektromotors erzielt. Wird der Abgasturbolader in der Weise ausgelegt, dass bei einer Ein schaltung des Elektromotors die Kupplung zwischen Vorsatzläufer und Verdichterrad ausgerückt ist, so dass diese Bauteile unab hängig voneinander umlaufen können, so kann durch eine entspre chende Einstellung des Elektromotors die Drehrichtung umgekehrt werden, was in Fig. 8 mit einem negativen Drehzahlverlauf der Vorsatzläuferdrehzahl n_Vor ab dem Zeitpunkt des Einschaltens EM_ein des Elektromotors dargestellt ist. Die Umkehrung der Dreh richtung des Vorsatzläufers gegenüber dem Verdichterrad hat ei ne Sperrwirkung im Verdichtereintritt zur Folge, wobei die Höhe der Sperrwirkung über die Drehzahl des Vorsatzläufers einstell bar ist.

Claims

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgasturbine (3) und einem im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter (5), der über eine Welle (4) mit der Abgasturbine (3) verbunden ist, wo bei ein in das Ladergehäuse (2) des Abgasturboladers (1) integ rierter Elektromotor (9) vorgesehen ist, dessen Rotor (10) ko axial zur Welle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Verdichterrad ein Luftförderer im Einström bereich (8) des Verdichters (5) angeordnet ist, dass der Rotor (10) des Elektromotors (9) mit dem Luftförderer verbunden ist und dass die Drehbewegung des Luftförderers unabhängig von der Drehbewegung des Turbinenrades (6) einstellbar ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftförderer als stromauf des Verdichterrades (7) an geordneter Vorsatzläufer ausgebildet ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung des Rotors (10) des Elektromotors (9) um kehrbar ist.

4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Übertragungsweg zwischen dem Luftförderer und dem Tur binenrad (6) eine Kupplung (13) angeordnet ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung der Kupplung (13) mit der Betätigung des Rotors (10) des Elektromotors (9) gekoppelt ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem Elektromotor (9) die Kupplung (13) ausgerückt ist und der Rotor (10) unabhängig von dem Turbinen rad (6) bewegbar ist und bei ausgeschaltetem Elektromotor (9) die Kupplung (13) eingerückt ist und der Rotor (10) mit dem Turbinenrad (6) umläuft.

7. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem Elektromotor (9) die Kupplung (13) eingerückt ist und der Rotor (10) mit dem Turbinenrad (6) um läuft und bei ausgeschaltetem Elektromotor (9) die Kupplung (13) ausgerückt ist und der Rotor (10) unabhängig von dem Tur binenrad (6) bewegbar ist.

8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftförderer und das Verdichterrad (7) drehfest ver bunden sind und zwischen Verdichterrad (7) und Welle (5) eine einstellbare Kupplung (13) vorgesehen ist.

9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (7) und das Turbinenrad (6) drehfest verbunden sind und zwischen dem Luftförderer und dem Verdich terrad (7) eine einstellbare Kupplung (13) vorgesehen ist.

10. Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (13) bei Betätigung des Elektromotors (9) in eine den Luftförderer und das Verdichterrad (7) drehfest ver bindende Stellung verfahrbar ist.

11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftförderer identisch ist mit dem Rotor (10) des Elektromotors (9).

12. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) als Nabenmotor ausgebildet ist und mit dem Vorsatzläufer (15) direkt vor dem Verdichterrad (7) platziert ist.

13. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (9) und der Vorsatzläufer (15) als aus tauschbares Modul ausgeführt sind, das in den Verdichter (5) einsetzbar ist.

14. Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Abgasturboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem eine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine (3) einen im An saugtrakt angeordneten Verdichter (5) antreibt, der über eine Welle (4) mit der Abgasturbine (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsatzläuferdrehzahl (n_Vor) zur Verdichterdrehzahl (n_V) elektromotorisch in der Weise geregelt wird, dass sich ein definierter Mitdrall oder Gegendrall oder im Grenzfall eine drallfreie Zuströmung zum Verdichterrad (7) einstellt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Motorbeschleunigungsphase die Vorsatzläuferdrehzahl (n_Vor) der Verdichterdrehzahl (n_V) voraus eilt, wobei sich durch die Mitdrall-Eintrittsströmung des Verdichters (5) eine hohe Beschleunigungsleistung für die Turbine (3) einstellt.