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Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbolader nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In der
DE 100 11 419 A1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, der eine Abgasturbine mit einem im Abgasstrang drehbar gelagerten Turbinenrad und einen Verdichter mit einem im Ansaugtrakt drehbar gelagerten Verdichterrad aufweist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Turbinenrad von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei die Drehbewegung über eine Welle, auf der sowohl das Turbinenrad als auch das Verdichterrad befestigt sind, auf den Verdichter übertragen wird, der daraufhin komprimierte Ladeluft erzeugt, welche der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Welle, das Turbinenrad und das Verdichterrad bilden eine sich drehende Einheit, den Läufer.
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Zur Reduzierung von Lagerverlusten ist der Läufer im Gehäuse des Abgasturboladers in einer Luftlagerung aufgenommen, bei welcher zwischen dem Läufer und einer gehäusefesten Lageraufnahme ein Luftspalt besteht. Dadurch ist eine nahezu reibungsfreie Lagerung des Läufers im Gehäuse möglich, wodurch der Wirkungsgrad des Laders insbesondere bei niedrigen Drehzahlen verbessert ist.
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Um die Luftlagerung aufrecht zu erhalten, ist eine Luftzufuhreinrichtung vorgesehen, welche einen Luftspeicher sowie eine von der Brennkraftmaschine angetriebene Pumpe umfasst, welche den Luftspeicher mit Luft versorgt. Der Luftspeicher ist mit Luftzufuhrleitungen mit der Luftlagerung des Läufers verbunden.
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Für eine ordnungsgemäße Funktionstüchtigkeit des Luftlagers ist die Versorgung mit ausreichendem Luftdruck erforderlich, der von verschiedenen Betriebsparametern abhängt, beispielsweise von der Laderdrehzahl und der Lufttemperatur. Um den Mindestluftdruck zu erreichen, muss im Luftspeicher ein verhältnismäßig hoher Luftüberdruck vorgehalten werden, was mit einer entsprechenden Leistungsaufnahme verbunden ist, die sich mindernd auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbolader, der mit einem Luftlager versehen ist, mit hohem Wirkungsgrad auszubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Turbolader weist in einem Gehäuse einen Läufer, bestehend aus allen sich drehenden Bauteilen, zumindest jedoch einer Welle mit einem Verdichterrad und einem Turbinenrad auf, wobei der Läufer in einer Luftlagerung drehbar im Gehäuse gelagert und die Luftlagerung über einen als zusätzliches Bauteil ausgeführten Kompressor mit Luft zu versorgen ist. Dem Kompressor ist als Antrieb eine elektrische Antriebseinrichtung zugeordnet, wobei die Kompressorleistung über die elektrische Antriebseinrichtung regulierbar ist.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Antrieb des Kompressors über einen Elektromotor erfolgt, der in präziser Weise gesteuert werden kann. Damit ist es möglich, den Kompressor so anzutreiben, dass der aktuell im Luftlager benötigte Luftdruck mit hoher Genauigkeit und praktisch ohne Phasenverzögerung bereitgestellt werden kann. Die Druckversorgung mithilfe des elektromotorisch angetriebenen Kompressors ist insbesondere grundsätzlich unabhängig von dem Aggregat, dem der Turbolader zugeordnet ist. Im Falle eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine kann somit die Kompressorleistung unabhängig vom Betriebszustand bzw. der Leistung der Brennkraftmaschine eingestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Einstellung der Kompressorleistung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern bzw. Zustandsgrößen in variabler Weise durchgeführt werden kann. Es können beispielsweise die Laderdrehzahl und/oder die Lufttemperatur der Lagerluft oder sonstige Einflussgrößen berücksichtigt werden, die sich auf den Luftdruck bzw. die Viskosität der Luft im Luftlager auswirken. Beispielsweise ist mit steigender Drehzahl ein höherer Luftdruck im Luftlager erforderlich, bei niedrigerer Lufttemperatur genügt ein kleinerer Luftdruck. Derartige Abhängigkeiten des Luftdrucks im Luftlager von Betriebs- bzw. Zustandsgrößen können in gesteuerter oder geregelter Weise über eine entsprechende Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors berücksichtigt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Kompressor zur Luftversorgung mit dem Verdichter strömungsverbunden. Der Kompressor bezieht in dieser Ausführung die Luft von dem Verdichter, welche vorverdichtet ist und mit erhöhtem Luftdruck dem Kompressor zugeführt wird. Im Kompressor erfolgt eine weitere Verdichtung bis zum Erreichen des gewünschten Lagerluftdrucks, unter dem die Luft dem Luftlager zugeführt wird. Es handelt sich somit um eine zweistufige Aufladung, bei der der Verdichter des Turboladers die erste Stufe und der Kompressor die zweite Stufe übernimmt. Die beiden Stufen sind in Reihe geschaltet, was den Vorteil hat, dass ein Teil des Druckes im Verdichter erzeugt wird und die elektrische Leistungsaufnahme in der Antriebseinrichtung des Kompressors entsprechend reduziert ist, da vom Kompressor nur ein Teil des Drucks erzeugt werden muss.
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Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Luftzufuhr zum Kompressor von außen, also unabhängig vom Verdichter des Turboladers. Des Weiteren ist auch eine Kombination möglich, bei der der Kompressor die Luft sowohl aus der Umgebung als auch vom Verdichter beziehen kann; die Luftzufuhr erfolgt entweder simultan über beide Zufuhrwege in den Kompressor oder alternativ zwischen diesen beiden Strömungswegen. Gegebenenfalls wird zustandsabhängig zwischen den beiden Strömungswegen bzw. der Betriebsweise umgeschaltet, in der über beide Strömungswege dem Kompressor Luft zugeführt wird.
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Der Kompressor kann mit dem Turbolader eine gemeinsame Baueinheit bilden, beispielsweise dergestalt, dass der Kompressor, vorzugsweise einschließlich der elektrischen Antriebseinrichtung, fest mit dem Ladergehäuse verbunden ist. Gegebenenfalls ist der Kompressor in das Gehäuse des Turboladers integriert. Funktional besteht jedoch eine Trennung zwischen dem Turbolader und dem Kompressor und der elektrischen Antriebseinrichtung.
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Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung sind das Turbinenrad und das Verdichterrad über eine Welle drehfest miteinander gekoppelt und bilden zusammen den Läufer aus, wobei der Läufer über die Luftlagerung im Gehäuse des Turboladers drehbar gelagert ist. Die Luftlagerung kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und insbesondere die Funktion eines Axial- und/oder Radiallagers aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist dem Turbolader bzw. der Einheit aus Turbolader und Kompressor ein Ladeluftkühler zugeordnet, welcher zur Kühlung des dem Kompressor zugeordneten Luftstroms dient. Möglich ist sowohl eine Anordnung des Ladeluftkühlers stromauf des Kompressors, d. h. dem Kompressor vorgelagert, als auch stromab des Kompressors, d. h. dem Kompressor nachgelagert. In der Anordnung stromauf des Kompressors wird die dem Kompressor zuzuführende Luft vor dem Eintritt in den Kompressor gekühlt; diese Anordnung kann insbesondere mit der Luftzufuhr vom Verdichter des Turboladers kombiniert werden, so dass der Ladeluftkühler im Strömungsweg zwischen dem Verdichter und dem Kompressor angeordnet ist, was den Vorteil aufweist, dass die vom Verdichter komprimierte und im Kühler gekühlte Ladeluft, soweit diese nicht dem Kompressor zugeführt wird, den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine oder einem sonstigen Aggregat zugeführt werden kann. In der Anordnung stromab des Kompressors wird eine besonders effiziente Kühlung der dem Luftlager zuzuführenden Luft erreicht.
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Eine Kühlung der dem Luftlager zuzuführenden Luft ist grundsätzlich entweder über ein zusätzliches Kühlaggregat oder überein bereits im Fahrzeug verbautes Kühlaggregat möglich, beispielsweise über die Klimaanlage.
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Der Turbolader wird beispielsweise als Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei das Turbinenrad im Abgasstrang angeordnet ist und von den unter Druck stehenden Abgasen angetrieben wird. Die Drehbewegung des Turbinenrades wird über eine gemeinsame Welle auf das Verdichterrad übertragen, das im Ansaugtrakt angeordnet ist und angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet, welche den Zylindereinlässen der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Soweit ein dem Verdichter nachgeschalteter Ladeluftkühler vorgesehen ist, befindet sich dieser zweckmäßigerweise im Ansaugtrakt zwischen dem Verdichterrad und den Zylindern der Brennkraftmaschine. Von diesem Abschnitt des Ansaugtrakts verzweigt zweckmäßigerweise stromab des Ladeluftkühlers eine Luftleitung zum Kompressor, um diese mit Luft zu versorgen, welche im Kompressor in der zweiten Aufladungsstufe weiter verdichtet und von dort dem Luftlager zugeführt wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist im Strömungsweg zwischen dem Kompressor und dem Luftlager und/oder vor dem Kompressor ein Filterelement angeordnet, um die komprimierte Luft vor dem Eintritt in das Luftlager einer Filtration zu unterziehen. Das Filterelement kann gemeinsam mit dem Ladeluftkühler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
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Die Luftlagerung ist zweckmäßigerweise als aerostatische Lagerung ausgeführt, bei der Luft über einen Strömungskanal unter erhöhtem Druck von außen in die Lagerung eingeführt wird. Möglich ist auch eine Ausführung als aerodynamische Lagerung, bei dem das Luftpolster in der Luftlagerung durch die Turboladerbewegung erzeugt wird. Gegebenenfalls werden beide Ausführungen miteinander kombiniert, beispielsweise dergestalt, dass eine erste Lagerstelle als Luftlager eine aerodynamische Radiallagerung und eine zweite Lagerstelle als Luftlager eine aerodynamische Axiallagerung aufweist.
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Der Turbolader kann in verschiedener Bauweise ausgestaltet sein, beispielsweise in Radialbauweise des Verdichters und der Turbine oder in axialer bzw. diagonaler Bauweise.
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Bei dem Verfahren zum Betrieb des Turboladers erfolgt die Luftversorgung des Luftlagers über eine zweistufige Aufladung, an der sowohl der Verdichter des Turboladers als auch der als separates Bauteil ausgeführte Kompressor beteiligt sind. Bei der zweistufigen Aufladung wird im Verdichter ein Basisdruck erzeugt, auf den die herangeführte Luft im Verdichter komprimiert wird, wobei die unter dem Basisdruck stehende Luft im zweiten Schritt dem Kompressor als Eingangsluft zugeführt wird, in welchem ein zusätzlicher Aufbaudruck zum Erzielen eines Gesamtdrucks erzeugt wird, unter dem die Luft dem Luftlager zugeführt wird. Je höher der Basisdruck liegt, welcher vom Verdichter geliefert wird, umso kleiner kann der Aufbaudruck sein, der zum Basisdruck hinzuaddiert wird, um den Gesamtdruck zu erreichen.
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Der Aufbaudruck im Kompressor wird vorzugsweise über eine Regelung erzeugt, bei der in einer geschlossenen Schleife eine Systemgröße unter Berücksichtigung eines Messwerts rückgeführt wird. Gemessen wird insbesondere die Laderdrehzahl und/oder die Lufttemperatur der Lagerluft. Zusätzlich oder alternativ können auch der Druck und der Fluidmassenstrom für die Lagerung berücksichtigt werden.
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Grundsätzlich möglich ist aber auch eine Betriebsweise mit einer Steuerung des Kompressors bzw. der elektrischen Antriebseinrichtung, welche dem Kompressor zugeordnet ist. Auch bei der Steuerung kann auf Messwerte zurückgegriffen werden, insbesondere auf Messwerte, welche im Turbolader zur Verfügung stehen, also vorzugsweise die Laderdrehzahl und die Temperatur der Luft im Luftlager.
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Die Luftversorgung des Luftlagers kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Der Kompressor läuft in geregelter oder gesteuerter Weise entweder permanent oder nur phasenweise. Beispielsweise läuft der Kompressor bereits bei Stillstand des Turboladers, also noch bevor der zugeordnete Motor gestartet wird, was den Vorteil aufweist, dass der Läufer bereits in einem Luftpolster schwimmt und aufgrund der nahezu reibungsfreien Lagerung besser beschleunigen kann. Der Kompressor wird bei steigender Laderdrehzahl heruntergeregelt bzw. -gesteuert oder schaltet ab, sobald die vom Verdichter zugeführte Lagerluftmenge und der Druck ausreichend sind. Dies ist sowohl bei aerostatischen als auch aerodynamischen Luftlagern durchführbar.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, in der ein Turbolader im Schnitt dargestellt ist, wobei dem Turbolader ein Kompressor zur Erzeugung verdichteter Luft zugeordnet ist, welche einem Luftlager zur Lagerung des Läufers zugeführt wird.
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Bei dem in der Figur dargestellten Turbolader 1 handelt es sich beispielsweise um einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine. Der Turbolader 1 weist in einem Gehäuse 2 eine Turbine 3 mit einem Turbinenrad 4 und einen Verdichter 5 mit einem Verdichterrad 6 auf. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 6 weisen eine gemeinsame Drehachse 8 auf und sind über eine Welle 7 drehfest miteinander gekoppelt, Turbinenrad 4, Verdichterrad 6 und die Welle 7 bilden gemeinsam einen Läufer 20. Das Turbinenrad 4 in der Turbine 3 wird wie mit den Pfeilen dargestellt von einem Fluidmassenstrom radial beaufschlagt, der in der Turbine entspannt wird und diese axial wieder verlässt. Auf Seiten des Verdichters 5 wird das Verdichterrad 6 axial von einem zweiten Fluidmassenstrom angeströmt, der das Verdichterrad radial verlässt und auf einen erhöhten Druck komprimiert wird. Bei den Fluidmassenströmen handelt es sich entweder um gasförmige oder um flüssige Medien. Im Falle eines Einsatzes als Abgasturbolader wird das Turbinenrad 4 von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei das Verdichterrad 6 angesaugte Umgebungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet.
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Der Läufer 20 ist im Gehäuse 2 des Turboladers 1 über ein Luftlager 9 drehbar gelagert, wobei zwischen der Mantelfläche des Läufers 20 und der Mantelfläche des Luftlagers ein oder mehrere Luftspalte bestehen. Das Luftlager 9 ist je nach Auslegung und Lagerstelle als aerostatisches oder aerodynamisches Lager oder einer Kombination beider Möglichkeiten ausgeführt, bei der Luft über einen Strömungskanal 11 im Gehäuse 2 von außen unter erhöhtem Druck in das Lager eingeführt wird. Im Betrieb des Turboladers 1 wird damit eine weitgehend reibungsfreie Umdrehung des Läufers möglich.
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Die Erzeugung komprimierter Luft, welche über den Strömungskanal 11 dem Luftlager 9 zugeführt wird, erfolgt in einem Kompressor 12, der als elektrische Antriebseinrichtung 13 einen Elektromotor aufweist. Der Kompressor ist beispielsweise als Kolbenpumpe, Schraubenverdichter oder Membranverdichter ausgeführt und wird ausschließlich über den elektrischen Antriebsmotor 13 angetrieben. Der Kompressor 12 einschließlich Antriebsmotor 13 sind dem Turbolader 1 zugeordnet und können am Gehäuse 2 des Turboladers 1 befestigt sein bzw. in das Gehäuse 2 integriert sein.
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Der Kompressor 12 bezieht Luft aus dem Verdichter 5, welche stromab des Verdichters 5 zunächst in einem Ladeluftkühler 14 gekühlt wird, von dem aus der Hauptanteil der komprimierten und gekühlten Ladeluft dem Aggregat zugeführt wird, also beispielsweise der Brennkraftmaschine. Ein Teilstrom der gekühlten und komprimierten Ladeluft fließt mit einem Basisdruck als Eingang dem Kompressor 12 zu, in welchem die zugeführte Luft mit einem zusätzlichen Aufbaudruck beaufschlagt wird zum Erzielen eines Gesamtdrucks, mit dem die Luft über den Strömungskanal 11 dem Luftlager 9 zugeführt wird. Im Strömungsweg zwischen dem Kompressor 12 und dem Luftlager 9 befindet sich zweckmäßigerweise ein Filterelement 15 zur Filtration der auf den Gesamtdruck komprimierten Luft. Alternativ oder zusätzlich befindet sich im Strömungsweg stromab des Kompressors 12 ein Ladeluftkühler 16, der entweder alternativ zu dem Ladeluftkühler stromab des Verdichters 5 oder kumulativ zu diesem angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Filterelement 15 am Ladeluftkühler 14 und/oder an einem Kühler 17 angeordnet.
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Zusätzlich oder alternativ zum Strömungsweg über den Verdichter 5 kann dem Kompressor 12 auch aus der Umgebung Luft zugeführt werden, die im Kompressor 12 durch Betätigung des Antriebsmotors 13 auf den geforderten Gesamtdruck komprimiert wird. Beispielsweise wird dem Kompressor 12 über einen Kühler 17 im Fahrzeug gekühlte Umgebungsluft zugeführt.
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Die Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors 13 des Kompressors 12 erfolgt zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von Zustands- bzw. Betriebsgrößen, insbesondere des Turboladers 1. Symbolisch eingetragen ist eine Sensorik 18, über die beispielsweise die Laderdrehzahl und die Temperatur der Luft vor oder im Luftlager 9 ermittelt wird. In Abhängigkeit von der Laderdrehzahl und der Lufttemperatur erfolgt die Ansteuerung des elektrischen Antriebsmotors 13 entweder gemäß einer Regelung mit einer Rückführung oder gemäß einer Steuerung ohne Rückführung.
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Im Strömungsweg zwischen dem Kompressor 12 und dem Luftlager 9 kann ein Luftspeicher 19 angeordnet sein, in welchem unter erhöhtem Druck stehende Luft zwischengespeichert wird, die vom Kompressor erzeugt wird. Aus dem Luftspeicher 19 wird die Luft über den Strömungskanal 11 dem Luftlager 9 zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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