DE10050161A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers - Google Patents
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines AbgasturboladersInfo
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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 nV für den Verdichter und nT 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 nT und nV um. Zum Zeitpunkt t1 wird
der Elektromotor eingeschaltet (gekennzeichnet mit EMein), wor
aufhin die Drehzahl nV des Verdichters aufgrund der unabhängi
gen Lagerung von Turbine und Verdichter auf einen die Drehzahl
nT 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 nT
nimmt stark zu. Im Zeitpunkt t2 schneiden sich die Drehzahlkur
ven nV und nT 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 EMaus). 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 nATL umläuft. Der Vorsatz
läufer besitzt eine hiervon abweichende Drehzahl nVor, die im
Ausführungsbeispiel reibungsbedingt etwas geringer ist als die
Laderdrehzahl nATL.
Zum Zeitpunkt t1 wird der Elektromotor eingeschaltet (EMein) und
die Kupplung zwischen Vorsatzläufer und Verdichterrad wird ge
schlossen, so dass der Vorsatzläufer nunmehr die gleiche Dreh
zahl nVor aufweist wie das Verdichterrad, die Welle und das Tur
binenrad, die mit der Laderdrehzahl nATL 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 (EMein),
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 nVor umlaufen
kann, welche signifikant höher ist als die Laderdrehzahl nATL,
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 ΔtK zwischen den Zeitpunkten t1
und t2 stattfindet, der Vorsatzläufer mit der gleichen Drehzahl
nVor umläuft wie das Verdichterrad, das die Laderdrehzahl nATL
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 nATL 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 nVor des Vorsatzläufers und der entsprechend
häheren Rotationsenergie des Vorsatzläufers innerhalb sehr kur
zer Zeit auf eine hohe Drehzahl nV beschleunigt, welche die
Drehzahl nT der Turbine bzw. der Welle übersteigt. Im Zeitpunkt
t3 erreicht die Turbine aufgrund des ansteigenden Abgasge
gendrucks im Kopplungspunkt K die gleiche Drehzahl nT wie das
mit der Drehzahl nV 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 nVor ab dem Zeitpunkt des Einschaltens EMein
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 (15)
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 (nVor) zur Verdichterdrehzahl
(nV) 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
(nVor) der Verdichterdrehzahl (nV) voraus eilt, wobei sich durch
die Mitdrall-Eintrittsströmung des Verdichters (5) eine hohe
Beschleunigungsleistung für die Turbine (3) einstellt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: FLEDERSBACHER, PETER, DIPL.-ING., 70619 STUTTGART, DE LOEFFLER, PAUL, DIPL.-ING., 70199 STUTTGART, DE SUMSER, SIEGFRIED, DIPL.-ING., 70184 STUTTGART, DE WIRBELEIT, FRIEDRICH, DR., 73733 ESSLINGEN, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination |