DE102010054901A1

DE102010054901A1 - Turbolader mit induktiver Drehzahldrosselung

Info

Publication number: DE102010054901A1
Application number: DE102010054901A
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer zum Antrieb eines Verdichters vorgesehenen Turbine, wobei die Turbine in einer Leitung eines Abgasstrahls angeordnet und zumindest mittelbar mit dem Verdichter über eine Welle verbunden ist, wobei Turbine, Verdichter und Welle eine drehbare Einheit bilden. Ziel ist es den Turbolader zu vereinfachen und energieeffizient zu gestalten. Dazu werden Magnete an der drehbaren Einheit vorgesehen, die beispielsweise den Verdichter zu einem Rotor weiterbilden, der im Zusammenhang mit einer Induktionsspule zur Generierung von elektrischem Strom eingesetzt werden soll. Gleichzeitig dient er dazu die Drehgeschwindigkeit des Verdichters herabzusetzen, sodass die Funktion eines Wastegate übernommen werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer zum Antrieb eines Verdichters vorgesehenen Turbine, wobei die Turbine in einer Leitung eines Abgasstrahls angeordnet und zumindest mittelbar mit dem Verdichter über eine Welle verbunden ist, wobei Turbine, Verdichter und Welle eine drehbare Einheit bilden.
Stand der Technik
Hintergrund der Erfindung
Turbolader werden typischerweise bei Brennkraftmaschinen, insbesondere im Fahrzeugbau verwendet, um die Saugwirkung des Motors auf der Basis der kinetischen Energie der Abgase durch die Erzeugung einer zusätzlichen Kompression beim Lufteinlass in den Zylinder zu unterstützen. Die erhöhte Luftkompression erlaubt bei gleich bleibendem Hubraum eine Verbrennung einer größeren Menge Kraftstoff, die eine Leistungssteigerung hervorruft.
Aus DE 9002114 U1 ist ein mit einem Elektromotor ausgestatteter Turbolader bekannt, wobei die Turbine vom Verdichter entkoppelbar ist und der Elektromotor anstatt der Turbine den Antrieb der Verdichters in bestimmten Phasen des Betriebes übernimmt.
Der Elektromotor an sich und der Entkopplungsmechanismus zwischen Turbine und Verdichter implizieren einen hohen Fertigungsaufwand, sowie einen hohen Aufwand an Bauteilen.
Aufgabenstellung Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist daher einen kosteneffizienten und energieoptimierten Turbolader vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch einen Turbolader der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die drehbare Einheit Magnete aufweist. Beispielsweise sind Permanentmagnete an Außenflächen der drehbaren Einheit mit möglichst großem Außendurchmesser angeordnet.
Die Magnete können am Verdichter, an der Turbine und/oder an der Welle angeordnet sein. Vorteilhaft ist die Welle, weil diese im Vergleich zu Turbine und Verdichter leicht herzustellen ist. Die Turbine eignet sich, weil das Turbinenrad, auf welchem die Schaufeln axial ausgebildet sind, einen großen Außendurchmesser aufweist. Der Verdichter weist ein entsprechend großes Verdichterrad auf und ist zudem in einem weniger heißen Umfeld, dem Verdichtergehäuse, angeordnet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Magnete, insbesondere Permanentmagnete, an einer zylindrischen Außenumfangsfläche des Verdichters oder der Turbine in Umfangsrichtung angeordnet.
Vorteilhafterweise liegen die Magnete axial und/oder radial einer Spule gegenüber und sind dazu vorgesehen Strom in die Spule zu induzieren. Damit ergibt sich eine Möglichkeit elektrische Energie zu produzieren, die den Wirkungsquerschnitt der Brennkraftmaschine verbessert, indem Energie zurück gewonnen wird. Ferner ist ein sogenanntes Wastegate, welches mechanische Bauteile, als auch Steuerungselemente dazu verwendet überschüssiges Abgas – und damit kinetische Energie – auszuleiten und ungenutzt zu lassen, nicht mehr notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule Teil eines Steuerschaltkreises, der durch eine schaltbare, elektrische Leistungsabschöpfung zur Drehgeschwindigkeitsdrosselung der drehbaren Einheit vorgesehen ist. Der Steuerschaltkreis schöpft immer dann Energie ab, wenn der Abgasdruck besonders stark ist und man üblicherweise ein Wastegate betätigt hätte. Die Energie kann beispielsweise in eine Autobatterie oder ein anderes Speichermedium geleitet werden. Gleichzeitig tritt bei der Leistungsabschöpfung eine Drosselung der Drehgeschwindigkeit der drehbaren Einheit auf, die zur Entlastung des Turboladers, insbesondere eines Turboladerlagers, beiträgt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Magnete in einem Magnetfeld der Spule kinetisch antreibbar, wobei Spule und wenigstens ein Teil der drehbaren Einheit einen Elektromotor bilden. Die Erfindung dient somit im unteren Drehzahlbereich zum schnelleren Ansprechen der Turbine, indem die Drehzahl des drehbaren Elements elektrisch angetreiben wird und beispielsweise der Verdichter als Anker eines Elektromotors betrieben wird. Im oberen Drehzahlbereich wird die Magnet-Spulenanodnung als elektrische Drossel eingesetzt und dabei als Generator betrieben, der Strom zum Beispiel für das Bordnetz produziert. Das Wastegate entfällt. Der Generator ist kostenneutral für den Betreiber.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
1 Teile eines Turboladers mit einem Magnete tragenden Verdichter neben einem Turboladergehäuse.
2 den Verdichter aus 1, und
3 den Verdichter aus 1 mit Spule und Gehäuseteller.
Ausführungsbeispiel
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt Teile eines Turboladers mit einem Magnete tragenden Verdichter 1 neben einem Turboladergehäuse 2. Das Turboladergehäuse 2 weist Kühlmittelleitungen zur Aufnahme und Leitung eines Kühlmittels auf, die insbesonders zur Kühlung der Wellenaufnahme 4, die für ein Gleitlager oder ein Wälzlager ausgelegt sein kann. Die Welle selbst ist nicht abgebildet. Diese wird bei der Installation durch die Wellenaufnahme 4 und die Bohrung 6 des Verdichters 1 geschoben und mit einer Schraubenmutter gegen den Schraubenanschlag 9 gekontert.
Die nicht abgebildete Turbine ist vorteilhafterweise einstückig mit der Welle ausgeführt und wird gleichzeitig mit der Verschraubung des Verdichters 1 installiert.
Im Verdichterrad sind in Umfangsrichtung um die Wellenachse Magnete 6 angeordnet, die in radialer Richtung der radialen Innenseite der Spule 7 gegenüberliegen. Die Spule 7 beinhaltet mehrere Wicklungen und ist im Gehäuseteller 11 angeordnet und setzt dessen axiale Seitenfläche bis zum Verdichterrad fort.
Am Verdichterrad sind einstückig Schaufeln 8 ausgebildet, die für die Umsetzung der kinetischen Energie in einen Kompressionsdruck optimiert sind.
Die Zuleitung 12 verläuft in radialer Richtung im Gehäuseteller 11 und kann ein oder mehrere Kabel aufnehmen, die zur elektrischen Verbindung der Spule mit einem Steuerschaltkreis verwendet werden können. Der Steuerschaltkreis hat die Aufgabe die Geschwindigkeit des Verdichters 1 zu überwachen und im Falle einer sehr hohen Drehzahl dem Spulenstromkreis eine elektrische Last zuzuschalten, sodass die Rotation des Verdichters 1 erschwert und damit reduziert wird. Diese Funktion übernahm bisher das Wastegate, mit dem Unterschied, dass die Drehzahlkontrolle durch einen kontrollierten Ablass eines Teils des Abgasstromes erzielt wurde. Die darin enthaltene Energie kann nunmehr entnommen und beispielsweise in einer Batterie zwischengespeichert werden. Ein Wastegate ist somit nicht mehr notwendig, eingeschlossen der damit verbundenen Druckdose und weiteren Elementen, womit eine Platz- und Bauteilersparnis einhergeht.
Grundsätzlich können die Magnete, die zur Induktion in die Spule vorgesehen sind auch an der Turbine, an deren Turbinenrad, der Welle oder einem anderen mit der Welle rotierenden Bauteil angeordnet sein. Die Spule sollte entweder radial oder axial dazu angeordnet sein, um den Induktionsstrom möglichst effektiv aufnehmen zu können.
Alternativ kann die Spulen-Magnete Anordnung auch als Elektromotor eingesetzt werden. Auf diese Weise kann der Turbolader auch bei geringen Drehzahlen eine hohe Kompression und eine hohe Motorleistung erzielen. Damit ist im unteren Drehzahlbereich unter Zuhilfenahme von elektrischer Energie das Verdichterrad beziehungsweise der Verdichter 1 beschleunigbar und das sogenannte Turboloch ist damit vermeidbar.
2 zeigt den Verdichter 1 aus 1, bei dem die Magnete 6 in Bohrungen in äquidistanten Abständen in Umfangsrichtung eingebracht sind. Die Abstände entsprechenden in etwa dem Schaufelabstand der Schaufeln 8, die sich aus dem im wesentlichen scheibenförmigen Verdichterrad in axialer Richtung herausbilden und in radialer Richtung zur Bohrung 5 hin in einen im wesentlichen konischen Bestandteil des Verdichters 1 übergehen, der axial von dem Schraubanschlag 9 begrenzt wird.
Ebenso wie der Verdichter 1 könnte auch eine Turbine mit Magneten versehen sein, deren Magnete, jedoch den im Tubinengehäuse vorherrschenden Temperaturen standhalten müssen.
3 zeigt den Verdichter 1 aus 1 mit Spule 7 und Gehäuseteller 11. Die Spule 7 steht zusammen mit dem Gehäuseteller 11 fest. Der Spalt zwischen den Magneten 6, die in den Bohrungen 10 eingepresst werden, und der Spuleninnenseite ist möglichst klein zu halten. Die Auswuchtung des Verdichters 1 ist nach dem Einbringen der Magnete 6 auszuführen.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Turbolader mit einer zum Antrieb eines Verdichters vorgesehenen Turbine, wobei die Turbine in einer Leitung eines Abgasstrahls angeordnet und zumindest mittelbar mit dem Verdichter über eine Welle verbunden ist, wobei Turbine, Verdichter und Welle eine drehbare Einheit bilden. Ziel ist es den Turbolader zu vereinfachen und energieeffizient zu gestalten. Dazu werden Magnete an der drehbaren Einheit vorgesehen, die beispielsweise den Verdichter zu einem Rotor weiterbilden, der im Zusammenhang mit einer Induktionsspule zur Generierung von elektrischem Strom eingesetzt werden soll. Gleichzeitig dient er dazu die Drehgeschwindigkeit des Verdichters herabzusetzen, sodass die Funktion eines Wastegate übernommen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
3: Kühlflüssigkeitsleitung
5: Bohrung
7: Spule
9: Schraubenanschlag
11: Gehäuseteller
2: Lagergehäuse
4: Wellenaufnahme
6: Permanentmagnet
8: Schaufeln
10: Bohrung
12: Zuleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 9002114 U1 [0003]

Claims

Turbolader mit einer zum Antrieb eines Verdichters (1) vorgesehenen Turbine, wobei die Turbine in einer Leitung eines Abgasstrahls angeordnet ist, zumindest mittelbar mit dem Verdichter (1) über eine Welle verbunden ist und wobei Turbine, Verdichter (1) und Welle eine drehbare Einheit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit Magnete (6) aufweist.
Turbolader nach Anspruch 1, wobei die Magnete am Verdichter (1), an der Turbine und/oder an der Welle angeordnet sind.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (6) an einer zylindrischen Außenumfangsfläche des Verdichters (1) oder der Turbine in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (6) axial und/oder radial einer Spule (7) gegenüberliegen und dazu vorgesehen sind Strom in die Spule (7) zu induzieren.
Turbolader nach Anspruch 4, wobei die Spule (7) Teil eines Steuerschaltkreises ist, der durch eine schaltbare, elektrische Leistungsabschöpfung zur Drehgeschwindigkeitsdrosselung der drehbaren Einheit vorgesehen ist.
Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (6) in einem Magnetfeld der Spule (7) kinetisch antreibbar sind, wobei Spule (7) und wenigstens ein Teil der drehbaren Einheit einen Elektromotor ausbilden.