DE102011005825A1

DE102011005825A1 - Turbocharger for internal combustion engine of motor vehicle, has compressor and turbine which are operatively connected to electric machine by rotational speed superposition gears

Info

Publication number: DE102011005825A1
Application number: DE102011005825A
Authority: DE
Inventors: Josef Kleckner; Wolfgang Fischer; Roland Karrelmeyer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-27

Abstract

The turbocharger (1) has a compressor (3) and a turbine (2) which are operatively connected to an electric machine (4). The drive shafts (11,17) of the turbine and compressor and an engine shaft (18) of the electric machine are coupled by the rotational speed superposition gears (5,6). A planetary gear (7) is provided in the superposition gear. The engine shaft is coupled to a ring gear (20). An independent claim is included for method for operating turbocharger.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für einen Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter, mit einer Turbine und mit einer mit dem Verdichter und/oder mit der Turbine wirkverbundenen Elektromaschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladers zur Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors.The invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular of a motor vehicle, with a compressor, with a turbine and with an electrically connected to the compressor and / or with the turbine electric machine. Furthermore, the invention relates to a method for operating an exhaust gas turbocharger for boost pressure control of an internal combustion engine.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind Abgasturbolader bekannt. Derartige Abgasturbolader nutzen die Energie des Abgasstroms eines Verbrennungsmotors, um über eine Turbine-Verdichter-Kombination den Ladedruck, das heißt den Druck der in die Brennkammer(n) des Verbrennungsmotors eingebrachten Luft im Frischlufttakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Dazu sind die Turbine und der Verdichter üblicherweise über eine Welle miteinander gekoppelt, wobei die Welle ein der Turbine zugeordnetes Turbinenrad und ein dem Verdichter zugeordnetes Verdichterrad trägt. Bei einer zu geringen Motordrehzahl, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen, reicht die Energie des Abgasstroms nicht aus, um die für ein gewünschtes Drehmoment beziehungsweise für eine gewünschte Leistung erforderliche Frischluftfüllung der Brennkammer bereitzustellen. Aus diesem Grund ist es weiterhin bekannt, einen Elektromotor mittels seines Rotors direkt an der den Verdichter und die Turbine verbindenden Welle anzubringen. Bei zu geringem Abgasstrom lässt sich die Welle zusätzlich durch den Elektromotor antreiben, um im Verdichter den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Es erfolgt also eine zusätzliche Einspeisung von Energie durch den Elektromotor. Weiterhin ist bekannt, bei einer zu hohen Motordrehzahl, das heißt bei einer zu hohen Energie des Abgasstroms, einen durch den Verdichter erzeugten, unerwünscht hohen Ladedruck durch Ableiten des Abgasstroms in einen Bypasskanal zur Turbine zu verhindern. Dazu wird zumindest ein Teil des Abgasstroms mittels eines dem Bypasskanal zugeordnetem Bypassventils an der Turbine vorbei geleitet. Insgesamt lässt sich dadurch ein breites Drehmoment-Plateau bei variablem Abgasstrom im Motorkennfeld halten.Exhaust gas turbochargers are known from the prior art. Such exhaust gas turbochargers use the energy of the exhaust gas stream of an internal combustion engine to increase the boost pressure via a turbine-compressor combination, that is to say the pressure of the air introduced into the combustion chamber (s) of the internal combustion engine in the fresh air cycle of the internal combustion engine. For this purpose, the turbine and the compressor are usually coupled to one another via a shaft, wherein the shaft carries a turbine wheel associated with the turbine and a compressor wheel associated with the compressor. If the engine speed is too low, in particular during acceleration processes, the energy of the exhaust gas flow is insufficient to provide the fresh air charge of the combustion chamber required for a desired torque or for a desired power. For this reason, it is also known to attach an electric motor by means of its rotor directly to the shaft connecting the compressor and the turbine. If the exhaust gas flow is too low, the shaft can also be driven by the electric motor to generate the desired boost pressure in the compressor. Thus, there is an additional supply of energy by the electric motor. Furthermore, it is known that at an excessively high engine speed, that is to say at an excessively high energy of the exhaust gas flow, an undesirably high charge pressure generated by the compressor can be prevented by diverting the exhaust gas flow into a bypass passage to the turbine. For this purpose, at least part of the exhaust gas flow is conducted past the turbine by means of a bypass valve associated with the bypass valve. Overall, this makes it possible to maintain a broad torque plateau with a variable exhaust gas flow in the engine map.

Die DE 10 2007 046 643 A1 beschreibt einen derartigen Abgasturbolader, der eine mit dem Verdichter und der Turbine festverbundene Elektromaschine aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Elektromaschine sowohl motorisch, das heißt bei geringer Energie des Abgasstroms, als auch generatorisch, das heißt bei hoher Energie des Abgasstroms, zu betreiben. Aufgrund der direkten Verbindung der Elektromaschine an der Turbine und dem Verdichter erfolgt eine Erhöhung des Trägheitsmoments des Abgasturboladers. Auch bei abgestellter, also elektrisch nicht angesteuerter, Elektromaschine wird der Rotor der Elektromaschine aufgrund der direkten Ankopplung stets mit der Welle in Drehung versetzt, was zu einer nicht optimalen Ausnutzung der Energie des Abgasstroms und einer schnellen Abnutzung der Elektromaschine führen kann.The DE 10 2007 046 643 A1 describes such an exhaust gas turbocharger having a fixed to the compressor and the turbine electric machine. It is envisaged that the electric machine both motor, that is to operate at low energy of the exhaust stream, as well as regenerative, that is at high energy of the exhaust stream. Due to the direct connection of the electric machine to the turbine and the compressor, there is an increase in the moment of inertia of the exhaust gas turbocharger. Even when the electric machine is switched off, that is to say not electrically actuated, the rotor of the electric machine is always rotated with the shaft due to the direct coupling, which can lead to a non-optimal utilization of the energy of the exhaust gas flow and rapid wear of the electric machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei einem Abgasturbolader der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Verdichter, die Turbine und die Elektromaschine durch ein Oberlagerungsgetriebe, insbesondere ein Drehzahlüberlagerungsgetriebe, miteinander gekoppelt sind. Durch die Verbindung des Verdichters, der Turbine und der Elektromaschine durch das Oberlagerungsgetriebe ist es möglich insbesondere deren Drehzahlen zu überlagern, während sie stets miteinander in Wirkverbindung stehen. Insofern bewirkt beispielsweise eine Änderung der Drehzahl der Elektromaschine eine Änderung der Drehzahl des Verdichters und/oder der Turbine, oder umgekehrt. Ferner beeinflusst die Drehzahl beziehungsweise eine Drehzahländerung der Turbine die Drehzahl des Verdichters beziehungsweise der Elektromaschine. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch die Kopplung mittels des Überlagerungsgetriebes zumindest das Trägheitsmoment der Elektromaschine von einer den Verdichter und die Turbine verbindenden Welle entkoppelt. Das Trägheitsmoment setzt sich sowohl aus der Trägheit des Rotors aufgrund seiner zu bewegenden Masse als auch aus elektromagnetisch wirkenden Kräften zwischen Rotor und Stator zusammen, wobei das Trägheitsmoment insgesamt ein Gegenmoment aufbringt, das insbesondere bei einem mechanischen Antreiben des Rotors – beispielsweise in einem generatorischen Betrieb – zunächst überwunden werden muss. Der Rotor wird in dieser Ausführungsform bei ausreichend hohem Trägheitsmoment nicht mit der Verdichter und Turbine verbindenden Welle mitgedreht. Insofern erfolgt durch die Elektromaschine keine Erhöhung des Trägheitsmoments der Welle, welche den Verdichter antreibt. Vorteilhafterweise befindet sich der Rotor nur bei zum Drehen elektrisch angesteuerter Elektromaschine in Drehbewegung. Dies heißt, dass, wenn die Elektromaschine nicht angesteuert wird, sich der Rotor in Stillstand befindet. Dank des Übersetzungsgetriebes bewirkt das Trägheitsmoment kein Gegenmoment beziehungsweise „Bremsmoment” auf die verbindende Welle. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß der Elektromaschine minimiert und ein Bremsen der Turbine durch die Elektromaschine verhindert.In an exhaust gas turbocharger of the type mentioned above, the invention provides for the compressor, the turbine and the electric machine to be coupled to each other by a superimposition gearbox, in particular a speed superposition gearbox. By connecting the compressor, the turbine and the electric machine through the superposition gearbox, it is possible in particular to superimpose their speeds while they are always in operative connection with each other. In this respect, for example, causes a change in the speed of the electric machine, a change in the speed of the compressor and / or the turbine, or vice versa. Furthermore, the rotational speed or a speed change of the turbine influences the rotational speed of the compressor or the electric machine. In a preferred embodiment, at least the moment of inertia of the electric machine is decoupled from a shaft connecting the compressor and the turbine by the coupling by means of the superposition gearing. The moment of inertia consists of both the inertia of the rotor due to its mass to be moved as well as electromagnetically acting forces between the rotor and stator, the moment of inertia total applies a counter-torque, in particular in a mechanical driving of the rotor - for example, in a regenerative operation - must first be overcome. The rotor is rotated in this embodiment at a sufficiently high moment of inertia not connected to the compressor and turbine shaft. In this respect, the electric machine does not increase the moment of inertia of the shaft, which drives the compressor. Advantageously, the rotor is in rotary motion only when electrically driven for rotating electric machine. This means that when the electric machine is not driven, the rotor is at a standstill. Thanks to the reduction gear, the moment of inertia does not cause a counter-torque or "braking torque" on the connecting shaft. As a result, in particular the wear of the electric machine is minimized and prevents braking of the turbine by the electric machine.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind auch die Turbine und der Verdichter nicht drehfest beziehungsweise direkt durch eine Welle, sondern indirekt durch das Überlagerungsgetriebe miteinander verbunden. Durch den Einsatz insbesondere des Drehzahlüberlagerungsgetriebes wird ermöglicht, dass die Drehzahlen des Verdichters, der Turbine und der Elektromaschine gemäß der durch das Überlagerungsgetriebe vorgegebenen Übersetzungsverhältnisse addierbar beziehungsweise subtrahierbar sind. insbesondere kann dadurch unabhängig von der Drehzahl der Turbine die Drehzahl des Verdichters und/oder der Elektromaschine derart eingestellt werden, dass die resultierende Drehzahl des Verdichters einer gewünschten Drehzahl entspricht. Bei einem geringen, energiearmen Abgasstrom und insofern einer geringen Drehzahl der Turbine, lässt sich die Drehzahl des Verdichters durch eine Überlagerung der Drehzahlen der Turbine und der eingestellten Elektromaschine derartig erhöhen, dass ein gewünschter Ladedruck im Verdichter erzeugt wird und das entsprechende Drehmoment des Verbrennungsmotors erzielt wird. Durch die Möglichkeit der kontinuierlichen beziehungsweise dynamischen Einstellung der Drehzahl der Elektromaschine ist insofern eine dynamische, insbesondere stufenlose, Drehmomenterhöhung des Verbrennungsmotors erreichbar und auch bei zu geringem beziehungsweise zu hohem Abgasstrom lässt sich ein breites Drehmoment-Plateau erzielen, wobei der Rotor der Elektromaschine nicht zu einer Erhöhung des Trägheitsmoments der das Verdichterrad antreibenden Welle beiträgt und insofern keine ungewollten Energieverluste mit sich bringt.According to a particularly preferred embodiment, the turbine and the compressor are not rotatably or directly connected by a shaft, but indirectly by the superposition gear. By using in particular the speed superposition gear allows the speeds of the compressor, the turbine and the electric machine can be added or subtracted according to the specified by the superposition gear ratios ratio. In particular, regardless of the speed of the turbine, the speed of the compressor and / or the electric machine can be adjusted such that the resulting speed of the compressor corresponds to a desired speed. With a low, low-energy exhaust stream and thus a low speed of the turbine, the speed of the compressor can be increased by a superposition of the rotational speeds of the turbine and the adjusted electric machine such that a desired charge pressure is generated in the compressor and the corresponding torque of the internal combustion engine is achieved , Due to the possibility of continuous or dynamic adjustment of the rotational speed of the electric machine is insofar a dynamic, in particular stepless, torque increase of the engine achievable and even with low or high exhaust gas flow can achieve a broad torque plateau, the rotor of the electric machine not to a Increase of the moment of inertia of the compressor wheel driving shaft contributes and insofar brings no unwanted energy losses.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdichter eine Antriebswelle, die Turbine eine Abtriebswelle und die Elektromaschine eine Maschinenwelle aufweist, die durch das Überlagerungsgetriebe miteinander verbunden sind. Der Verdichter, die Turbine und die Elektromaschine weisen jeweils eine eigene Welle auf, insbesondere ist keine die Turbine und den Verdichter direkt miteinander verbindende Welle vorgesehen. Die Antriebswelle des Verdichters weist mindestens ein Verdichterrad auf und die Abtriebswelle der Turbine weist mindestens ein Turbinenrad auf. Die Maschinenwelle der Elektromaschine ist mit dem Rotor der Elektromaschine wirkverbunden oder wird von diesem gebildet.According to a development of the invention it is provided that the compressor has a drive shaft, the turbine has an output shaft and the electric machine has a machine shaft, which are interconnected by the superposition gear. The compressor, the turbine and the electric machine each have their own shaft, in particular, no turbine and the compressor directly connecting shaft is provided. The drive shaft of the compressor has at least one compressor wheel and the output shaft of the turbine has at least one turbine wheel. The machine shaft of the electric machine is operatively connected to or formed by the rotor of the electric machine.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Überlagerungsgetriebe als Planetengetriebe ausgebildet ist. Das Planetengetriebe weist ein Sonnenrad, ein Hohlrad und einen Planetenradsatz auf, wobei jedes dieser Elemente des Planetengetriebes mit einer der Wellen, zweckmäßigerweise drehfest, verbunden ist. Insofern werden die Drehzahlen der Wellen gemäß den Übersetzungsverhältnissen des Planetengetriebes und gemäß der konkreten Zuordnung der Wellen zu den Elementen des Planetengetriebes miteinander (additiv) überlagert. Dabei kann eine Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl einer gewünschten Welle durch die Änderung der Drehzahl von mindesten einer der anderen beiden Wellen bewirkt werden.It is preferably provided that the superposition gear is designed as a planetary gear. The planetary gear has a sun gear, a ring gear and a planetary gear, wherein each of these elements of the planetary gear with one of the shafts, suitably rotatably connected. In this respect, the rotational speeds of the shafts according to the transmission ratios of the planetary gear and according to the specific assignment of the waves to the elements of the planetary gear are superimposed (additive). In this case, an increase or decrease in the speed of a desired shaft by the change in the speed of at least one of the other two waves can be effected.

Es ist vorteilhaft, wenn das Planetengetriebe ein mit der Abtriebswelle gekoppeltes Sonnenrad, ein mit der Maschinenwelle gekoppeltes Hohlrad und einen mit der Antriebswelle gekoppelten Planetenradsatz aufweist. Diese bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die jeweilige Welle direkt, insbesondere drehfest, mit dem entsprechenden Element (Sonnenrad, Hohlrad, Planetenradsatz) des Planetengetriebes gekoppelt/verbunden ist. Alternativ ist denkbar, dass die Verbindung indirekt, insbesondere über ein weiteres Getriebe, ausgebildet ist. Bei der Betrachtung eines Energieflusses durch das Planetengetriebe, dient die Abtriebswelle bevorzugt dazu, dem Verdichter Energie zuzuführen. Die Antriebswelle dient bevorzugt dazu, Energie von der Turbine zum Verdichter oder zur Elektromaschine zu führen. Die Maschinenwelle dient vorzugsweise sowohl zum Einspeisen von Energie als auch zum Rückspeisen von Energie. Alternativ ist es auch möglich, dass die Abtriebswelle mit dem Hohlrad, die Antriebswelle mit dem Planetenradsatz und die Maschinenwelle mit dem Sonnenrad gekoppelt sind. Ferner sind weitere Kopplungsmöglichkeiten denkbar, die in der Figurenbeschreibung erläutert werden.It is advantageous if the planetary gear has a sun gear coupled to the output shaft, a ring gear coupled to the engine shaft and a planetary gear set coupled to the drive shaft. This preferred embodiment provides that the respective shaft directly, in particular rotationally fixed, coupled to the corresponding element (sun gear, ring gear, planetary) of the planetary gear / is connected. Alternatively, it is conceivable that the connection is formed indirectly, in particular via a further transmission. When considering an energy flow through the planetary gear, the output shaft is preferably used to supply energy to the compressor. The drive shaft preferably serves to conduct energy from the turbine to the compressor or to the electric machine. The machine shaft is preferably used both for feeding energy and for the recovery of energy. Alternatively, it is also possible that the output shaft to the ring gear, the drive shaft to the planetary gear and the engine shaft are coupled to the sun gear. Furthermore, further coupling possibilities are conceivable, which are explained in the description of the figures.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens eine Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung der Elektromaschine zugeordnet ist. Diese Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung ist vorteilhafterweise am Rotor der Elektromaschine, an der Maschinenwelle und/oder an dem entsprechenden Element des Planetengetriebes, an welches die Maschinenwelle gekoppelt ist, angeordnet. Die Bremseinrichtung ermöglicht bevorzugt ein frei einstellbares Bremsmoment, das heißt eine gewünschte Verringerung der Drehzahl der Maschinenwelle und insofern auch des entsprechenden Elements, insbesondere des Hohlrads, des Planetengetriebes, mit welchem die Maschinenwelle gekoppelt ist. Das Bremsen wird vorzugsweise durch Reibungskräfte bewirkt. Aufgrund der Verriegelungseinrichtung ist es möglich, die Maschinenwelle und das entsprechende Element des Planetengetriebes komplett zum Stillstand zu bringen und eine mögliche Drehung zu blockieren, insbesondere durch Formschluss. Durch ein vollständiges Bremsen kann ebenfalls der Stillstand der Maschinenwelle und des entsprechenden Elements des Planetengetriebes und somit eine entsprechende Verriegelung bewirkt werden. Sofern die Turbine die erforderliche Energie zur Erzeugung des gewünschten Ladedrucks liefert, ist die Elektromaschine nicht in Betrieb. Um ein Mitdrehen des Rotors und demzufolge eine ungewünschte Belastung der Elektromaschine beziehungsweise ein Drehen des Getriebes im Leerlauf zu vermeiden, wird bevorzugt mittels der Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung das entsprechende Element des Planetengetriebes blockiert beziehungsweise im Stillstand gehalten. Ferner kann das Bremsmoment auch durch die Elektromaschine selbst, das heißt durch eine entsprechende Ansteuerung dieser, erzielt werden.It is preferably provided that at least one brake and / or locking device is associated with the electric machine. This braking and / or locking device is advantageously arranged on the rotor of the electric machine, on the machine shaft and / or on the corresponding element of the planetary gear, to which the machine shaft is coupled. The braking device preferably allows a freely adjustable braking torque, that is, a desired reduction in the speed of the machine shaft and thus also of the corresponding element, in particular of the ring gear of the planetary gear, with which the machine shaft is coupled. The braking is preferably effected by frictional forces. Due to the locking device, it is possible to bring the machine shaft and the corresponding element of the planetary gear completely to a standstill and block a possible rotation, in particular by positive engagement. By a complete braking also the standstill of the machine shaft and the corresponding element of the planetary gear and thus a corresponding lock can be effected. If the turbine supplies the required energy to produce the desired boost pressure, the electric machine is not in operation. In order to avoid co-rotation of the rotor and consequently an undesired loading of the electric machine or a rotation of the transmission in idle, the corresponding element of the planetary gear is preferably blocked or held at a standstill by means of the braking and / or locking device. Furthermore, the braking torque can also by the electric machine itself, that is to be achieved by an appropriate control of this.

Ferner ist es von Vorteil, wenn zusätzlich oder alternativ eine Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung dem Verdichter zugeordnet ist. Die derartige Einrichtung ist vorzugsweise an der Antriebswelle des Verdichters, dem Verdichterrad oder dem entsprechenden Element, insbesondere dem Planetenradsatz, des Planetengetriebes, mit welchem die Antriebswelle gekoppelt ist, angeordnet. Sofern die Turbine dem Verdichter mehr Energie zur Verfügung stellt als dieser für den gewünschten Ladedruck benötigt oder wenn das Aufladen eines der Elektromaschine zugeordneten Speichers notwendig ist, lässt sich mittels der Bremseinrichtung die gewünschte Drehzahl des Verdichterrads beziehungsweise der Antriebswelle, vorzugsweise durch Reibungskräfte, beispielsweise auf einen gewünschten Wert, einstellen. Die überschüssige Energie fließt dann in die Elektromaschine. Ist keine Verdichtung der Luft erwünscht, so lässt sich mittels der Verriegelungseinrichtung das Verdichterrad beziehungsweise die Antriebswelle, bevorzugt durch Formschluss, zum Stillstand bringen. Ferner ist auch das vollständige Bremsen des Verdichterrads beziehungsweise der Antriebswelle denkbar. Die gesamte von der Turbine erzeugt Energie fließt dann in beiden Fällen in die Elektromaschine. Bevorzugt wird durch die Verriegelungseinrichtung lediglich die Antriebswelle des Verdichterrads blockiert und zwischen dem Verdichterrad und der Antriebswelle ein Freilauf derart vorgesehen, dass das Verdichterrad über den Freilauf weiterdrehen kann, wenn die Verdichterwelle blockiert ist. Dadurch wird erreicht, dass, wenn die Verdichterwelle blockiert ist, ein erhöhter Widerstand beim Ansaugen von Frischluft durch ein stillstehendes Verdichterrad vermieden wird.Furthermore, it is advantageous if additionally or alternatively a brake and / or locking device is assigned to the compressor. The device of this type is preferably arranged on the drive shaft of the compressor, the compressor wheel or the corresponding element, in particular the planetary gear set, of the planetary gear, to which the drive shaft is coupled. If the turbine provides the compressor with more energy than is required for the desired charge pressure or if the charging of a memory associated with the electric machine is necessary, the desired speed of the compressor wheel or the drive shaft can be adjusted by means of the braking device, preferably by friction forces, for example to one desired value. The excess energy then flows into the electric machine. If no compression of the air is desired, the compressor wheel or the drive shaft can be brought to a standstill, preferably by positive locking, by means of the locking device. Furthermore, the complete braking of the compressor wheel or the drive shaft is conceivable. The entire energy generated by the turbine then flows in both cases in the electric machine. Preferably, only the drive shaft of the compressor wheel is blocked by the locking device and provided between the compressor and the drive shaft, a freewheel so that the compressor can rotate on the freewheel when the compressor shaft is blocked. This ensures that, when the compressor shaft is blocked, an increased resistance in the intake of fresh air is avoided by a stationary compressor wheel.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Verdichter ein Drucksensor zur Bestimmung eines aktuellen Ladedrucks zugeordnet ist. Der Drucksensor misst den Druck des durch den Verdichter verdichteten Luftstroms. Der Drucksensor ist stromabwärts des Verdichters, insbesondere am Ausgang des Verdichters oder in einem vom Verdichter wegführenden Kanal, angeordnet. Der Drucksensor ist bevorzugt als elektronischer Drucksensor ausgebildet. Alternativ kann er auch als mechanischer Drucksensor ausgebildet sein. Das Signal des Drucksensors wird vorzugsweise zu einer dynamischen Ladedruckregelung eingesetzt.According to a development of the invention it is provided that the compressor is associated with a pressure sensor for determining a current boost pressure. The pressure sensor measures the pressure of the airflow compressed by the compressor. The pressure sensor is arranged downstream of the compressor, in particular at the outlet of the compressor or in a channel leading away from the compressor. The pressure sensor is preferably designed as an electronic pressure sensor. Alternatively, it can also be designed as a mechanical pressure sensor. The signal of the pressure sensor is preferably used for a dynamic boost pressure control.

Es ist vorteilhaft, wenn mindestens ein Bypasskanal mit einem betätigbaren Bypassventil (Wastegateventil) der Turbine zugeordnet ist. Das Vorhandensein eines Bypasskanals ermöglicht das Leiten des Abgasstroms an der Turbine vorbei, insbesondere am Turbinenrad vorbei. Insofern kann einer ungewollten Erhöhung des Ladedrucks durch eine zu starke Drehung des Turbinenrads mittels des Bypasskanals entgegengewirkt werden. Der Bypasskanal ist bevorzugt derart ausgebildet, dass der an der Turbine vorbeigeleitete Abgasstrom mit dem die Turbine durchströmenden Abgasstrom stromabwärts der Turbine wieder zusammengeführt wird. Alternativ kann der durch den Bypasskanal geführte Abgasstrom für eine weitere Verbrennung zum Verbrennungsmotor zurückgeführt werden, insbesondere um die Emission von Stickoxiden zu vermindern. Das Bypassventil ist im Bypasskanal, bevorzugt am Eingang des Bypasskanals, angeordnet und dient zum Öffnen beziehungsweise Verschließen des Bypasskanals. Bevorzugt ist es als elektrisch steuerbares Bypassventil ausgebildet. Denkbar ist auch ein mechanisch geregeltes Bypassventil.It is advantageous if at least one bypass channel with an operable bypass valve (wastegate valve) is assigned to the turbine. The presence of a bypass passage allows the passage of the exhaust stream past the turbine, especially past the turbine wheel. In this respect, an unwanted increase in the boost pressure can be counteracted by excessive rotation of the turbine wheel by means of the bypass channel. The bypass channel is preferably designed in such a way that the exhaust gas stream conducted past the turbine is brought together again with the exhaust gas flow flowing through the turbine downstream of the turbine. Alternatively, the exhaust gas flow passed through the bypass passage may be returned to the engine for further combustion, particularly to reduce the emission of nitrogen oxides. The bypass valve is arranged in the bypass channel, preferably at the entrance of the bypass channel, and serves to open or close the bypass channel. It is preferably designed as an electrically controllable bypass valve. Also conceivable is a mechanically controlled bypass valve.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Leistungssteller der Elektromaschine zugeordnet ist, der insbesondere als Vierquadrantensteller ausgebildet ist. Der Leistungssteller ermöglicht die Einspeisung von Energie aus einem Bordnetz, insbesondere einer Autobatterie, in die Elektromaschine, sodass diese als Elektromotor betrieben werden kann. Im Motorbetrieb dient die Maschinenwelle zum Einspeisen von Energie, insbesondere zur Drehzahlerhöhung des Verdichters. Besonders bevorzugt ist der Leistungssteller als Vierquadrantensteller ausgebildet, wodurch auch das Betreiben der Elektromaschine als Generator ermöglicht wird und insofern Energie von der Elektromaschine in das Bordnetz eingespeist werden kann. Die Elektromaschine ist also in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi als Motor beziehungsweise Generator betreibbar, wobei sich die Betriebsmodi dadurch unterscheiden, dass ihre Energieflusswege einander entgegengesetzt sind. Außerdem kann sich der Rotor in beiden Betriebsmodi jeweils vorwärts und rückwärts drehen. Ferner ist auch ein Betriebsmodus der Elektromaschine möglich, in dem die Maschinenwelle still steht und somit kein Energiefluss zwischen der Elektromaschine und dem Verdichter und/oder Turbine stattfindet.It is preferably provided that a power controller is associated with the electric machine, which is designed in particular as a four-quadrant controller. The power controller allows the supply of energy from a vehicle electrical system, in particular a car battery, in the electric machine, so that it can be operated as an electric motor. During engine operation, the machine shaft is used for feeding energy, in particular for increasing the speed of the compressor. Particularly preferably, the power controller is designed as a four-quadrant controller, whereby the operation of the electric machine as a generator is made possible and insofar energy from the electric machine can be fed into the electrical system. The electric machine can therefore be operated as a motor or generator in two different operating modes, the operating modes differing in that their energy flow paths are opposite to one another. In addition, the rotor can rotate forward and backward in both operating modes. Furthermore, an operating mode of the electric machine is possible in which the machine shaft is stationary and thus no energy flow between the electric machine and the compressor and / or turbine takes place.

Bevorzugt ist ferner, dass die Elektromaschine als Asynchronmaschine oder geschaltete Reluktanzmaschine (switched reluctance machine) ausgebildet ist, die insbesondere einen magnetlosen Rotor aufweist. Bevorzugt weist der Rotor der Elektromaschine keine Permanentmagnete und/oder elektrischen Erregerwicklungen auf. Permanentmagnete und Erregerwicklungen sind vorzugsweise im Stator der Elektromaschine untergebracht. Dadurch ist die Elektromaschine sehr temperaturstabil, da keine Entmagnetisierung des Rotors aufgrund hoher Temperaturen auftreten kann. Die Verwendung einer als Asynchronmaschine oder geschaltete Reluktanzmaschine ausgebildeten Elektromaschine ist besonders bevorzugt in einem Abgasturbolader, da die Elektromaschine, insbesondere der Rotor, aufgrund ihrer Platzierung in der Nähe der Turbine, die von heißen Abgasen durchströmt wird, hohen Temperaturen ausgesetzt ist.It is further preferred that the electric machine is designed as an asynchronous machine or switched reluctance machine (switched reluctance machine), which in particular has a magnetless rotor. The rotor of the electric machine preferably has no permanent magnets and / or electrical field windings. Permanent magnets and field windings are preferably housed in the stator of the electric machine. As a result, the electric machine is very stable in temperature, since no demagnetization of the rotor can occur due to high temperatures. The use of an electric machine designed as an asynchronous machine or switched reluctance machine is particularly preferred in an exhaust gas turbocharger, since the electric machine, in particular the rotor, due to their placement in the vicinity of the turbine, of hot Exhaust gas is flowed through, is exposed to high temperatures.

Bei einem Verfahren zum Betreiben des oben beschriebenen Abgasturboladers zur insbesondere dynamischen Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verdichter, die Turbine und die Elektromaschine durch ein Überlagerungsgetriebe, insbesondere ein Drehzahlüberlagerungsgetriebe, miteinander gekoppelt werden. Im Voranstehenden wurden die bevorzugten, unterschiedlichen Betriebsmodi der Elektromaschine erläutert. Der von der Elektromaschine ausgeführte Betriebsmodus (Motor, Generator, stillstehender Rotor) ist abhängig vom gewünschten und aktuellen, das heißt vom Drucksensor ermittelten, Ladedruck. Vorzugsweise ist der Abgasturbolader mit einer Steuereinheit versehen, welche den vom Drucksensor ermittelten Ladedruck sowie beispielsweise die von einem Rotorpositionssensor ermittelte Rotorposition des Rotors erfasst. Durch einen Regelprozess wird aus dem ermittelten Ladedruck (Ist-Wert) und dem gewünschten Ladedruck (Soll-Wert) ein Ansteuerungssignal für den Leistungssteller, der den Betriebsmodus der Elektromaschine bestimmt, und das Bypassventil erzeugt. Dadurch wird eine dynamische Ladedruckregelung des Abgasturboladers realisiert.In a method for operating the above-described exhaust gas turbocharger for the particular dynamic boost pressure control of an internal combustion engine is preferably provided that the compressor, the turbine and the electric machine by a superposition gear, in particular a speed superposition gear, are coupled together. In the foregoing, the preferred, different operating modes of the electric machine have been explained. The running of the electric machine operating mode (motor, generator, stationary rotor) is dependent on the desired and current, that is determined by the pressure sensor, boost pressure. Preferably, the exhaust gas turbocharger is provided with a control unit which detects the boost pressure determined by the pressure sensor and, for example, the rotor position of the rotor determined by a rotor position sensor. By a control process, a control signal for the power controller, which determines the operating mode of the electric machine, and the bypass valve is generated from the determined boost pressure (actual value) and the desired boost pressure (desired value). As a result, a dynamic charge pressure control of the exhaust gas turbocharger is realized.

Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele, und zwar zeigt:The drawings illustrate the invention with reference to various embodiments, in which:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einem Planetengetriebe, 1 a schematic representation of an exhaust gas turbocharger according to the invention with a planetary gear,

2 eine schematische Darstellung des Planetengetriebes des Abgasturboladers, 2 a schematic representation of the planetary gear of the exhaust gas turbocharger,

3 eine Tabelle mit verschiedenen Ankopplungsmöglichkeiten der Wellen des Verdichters, der Turbine und der Elektromaschine an ein Planetengetriebe, und 3 a table with different coupling possibilities of the shafts of the compressor, the turbine and the electric machine to a planetary gear, and

4 eine schematische Darstellung der Ladedruckregelung mit dem Abgasturbolader. 4 a schematic representation of the boost pressure control with the exhaust gas turbocharger.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers 1. Der Abgasturbolader 1 umfasst eine Turbine 2, einen Verdichter 3 und eine Elektromaschine 4, die durch ein Überlagerungsgetriebe 5, insbesondere ein Drehzahlüberlagerungsgetriebe 6, das als Planetengetriebe 7 ausgebildet ist, miteinander gekoppelt sind. Die Turbine 2 weist einen Einlasskanal 8 und einen Auslasskanal 9 auf, wobei von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor erzeugte Abgase durch den Einlasskanal 8 in die Turbine 2 hineinströmen und durch den Auslasskanal 9 aus der Turbine 2 herausströmen. Die Strömungsrichtung der Abgase ist durch die Pfeile 10 gekennzeichnet. Außerdem umfasst die Turbine 2 eine Abtriebswelle 11, auf der mindestens ein nicht dargestelltes Turbinenrad drehfest angeordnet ist. Der Verdichter 3 weist ebenfalls einen Einlasskanal 12 und einen Auslasskanal 13 auf, wobei Frischluft durch den Einlasskanal 12 in den Verdichter 3 hineinströmt und durch den Auslasskanal 13 aus dem Verdichter 3 herausströmt. Die Strömungsrichtung der Frischluft ist durch die Pfeile 14 gekennzeichnet. Bevorzugt sind der Einlasskanal 8, 12 und der Auslasskanal 9, 13 der Turbine 2 beziehungsweise des Verdichters 3 an jeweils gegenüberliegenden Seiten eines Gehäuses 15, 16 der Turbine 2 beziehungsweise des Verdichters 3 angeordnet. Der Verdichter 3 umfasst ferner eine Antriebswelle 17, auf der mindestens ein nicht dargestelltes Verdichterrad drehfest angeordnet ist. Die Elektromaschine 4 ist bevorzugt als Asynchronmaschine oder geschaltete Reluktanzmaschine ausgebildet. Die Elektromaschine 4 weist eine Maschinenwelle 18 auf, die mit einem nicht dargestellten Rotor der Elektromaschine 4 direkt oder indirekt, beispielsweise über ein Getriebe, verbunden ist. Das Planetengetriebe 7 umfasst ein Sonnenrad 19, ein Hohlrad 20 und einen durch einen Planetenträger 32 mehrere miteinander verbundene Planetenräder aufweisenden Planetenradsatz 21. Das Sonnenrad 19 ist mit der aus dem Gehäuse 15 der Turbine 2 herausragenden Abtriebswelle 11 verbunden. Das Hohlrad 20 ist über seine Außenverzahnung 20' durch ein auf der Maschinenwelle 18 drehfest angeordnetes Zahnrad 18' mit der Maschinenwelle 18 der Elektromaschine 4 verbunden. Der Planetenradsatz 21 ist durch einen Planetenträger 32 mit der aus dem Gehäuse 16 des Verdichters 3 herausragenden Antriebswelle 17 verbunden.The 1 shows a schematic representation of an exhaust gas turbocharger 1 , The turbocharger 1 includes a turbine 2 , a compressor 3 and an electric machine 4 caused by a superposition gearbox 5 , In particular, a speed superposition gear 6 acting as a planetary gear 7 is formed, coupled together. The turbine 2 has an inlet channel 8th and an outlet channel 9 on, wherein exhaust gases generated by an internal combustion engine, not shown, through the intake passage 8th in the turbine 2 flow in and through the outlet channel 9 from the turbine 2 flow out. The flow direction of the exhaust gases is indicated by the arrows 10 characterized. In addition, the turbine includes 2 an output shaft 11 , on which at least one not shown turbine wheel is arranged rotationally fixed. The compressor 3 also has an inlet channel 12 and an outlet channel 13 on, with fresh air through the inlet duct 12 in the compressor 3 flows in and through the outlet channel 13 from the compressor 3 flows out. The flow direction of the fresh air is indicated by the arrows 14 characterized. The inlet channel is preferred 8th . 12 and the outlet channel 9 . 13 the turbine 2 or the compressor 3 on opposite sides of a housing 15 . 16 the turbine 2 or the compressor 3 arranged. The compressor 3 further comprises a drive shaft 17 , is arranged on the at least one compressor wheel, not shown, rotationally fixed. The electric machine 4 is preferably designed as an asynchronous machine or switched reluctance machine. The electric machine 4 has a machine shaft 18 on, with a not shown rotor of the electric machine 4 directly or indirectly, for example via a transmission connected. The planetary gear 7 includes a sun wheel 19 , a ring gear 20 and one by a planet carrier 32 a plurality of interconnected planet gears having planetary gear 21 , The sun wheel 19 is with the out of the case 15 the turbine 2 outstanding output shaft 11 connected. The ring gear 20 is about his external teeth 20 ' by one on the machine shaft 18 rotatably mounted gear 18 ' with the machine shaft 18 the electric machine 4 connected. The planetary gear set 21 is by a planet carrier 32 with the out of the case 16 of the compressor 3 outstanding drive shaft 17 connected.

Ferner weist der Abgasturbolader 1 einen Bypasskanal 22 auf, in dem ein Bypassventil 23 angeordnet ist. Der Bypasskanal 22 zweigt von dem Einlasskanal 8 der Turbine 2 ab und mündet im Auslasskanal 9 der Turbine 2. Dadurch wird ermöglicht, dass die Abgase bei geöffnetem Bypassventil 23 sowohl durch die Turbine 2 als auch durch den Bypasskanal 22 an der Turbine 2 vorbei strömen können, um die Leistung der Turbine 2 zu verringern. Bei geschlossenem Bypassventil 23 strömen die Abgase ausschließlich durch die Turbine 2, um die maximale Leistung der Turbine 2 zu erreichen. Im Auslasskanal 13 des Verdichters 3 ist ein Drucksensor 24 angeordnet, der den Druck der durch den Verdichter 3 verdichteten Frischluft erfasst. Dieser Druck wird als aktueller Ladedruck bezeichnet. Ferner ist ein Leistungssteller 25 vorgesehen, der bevorzugt als Vierquadrantensteller 26 ausgebildet ist, der der Elektromaschine 4 zugeordnet ist und ein Zündmuster für diese erzeugt. Die Elektromaschine 4 wird über den Vierquadrantenstellen 26 durch ein Bordnetz 27, insbesondere eine Autobatterie 28, mit Energie gespeist beziehungsweise speist Energie in diese ein. Ferner ist eine Steuereinheit 29 für den Abgasturbolader 1 vorgesehen, die den vom Drucksensor 24 ermittelten Druck der verdichteten Luft und beispielsweise den Wert eines der Elektromaschine 4 zugeordneten, nicht dargestellten Rotorpositionssensors erfasst sowie weitere Werte, die als Eingangswerte für die Steuereinheit 29 dienen. Die Steuereinheit 29 erzeugt Signale zur Steuerung des Vierquadrantenstellers 26 und somit der Elektromaschine 4 sowie zur Steuerung des Bypassventils 23.Furthermore, the exhaust gas turbocharger 1 a bypass channel 22 in which a bypass valve 23 is arranged. The bypass channel 22 branches from the inlet channel 8th the turbine 2 and ends in the outlet channel 9 the turbine 2 , This allows the exhaust gases when the bypass valve is open 23 both through the turbine 2 as well as through the bypass channel 22 at the turbine 2 can flow past to the power of the turbine 2 to reduce. With closed bypass valve 23 the exhaust gases flow exclusively through the turbine 2 to the maximum power of the turbine 2 to reach. In the outlet channel 13 of the compressor 3 is a pressure sensor 24 arranged the pressure of the through the compressor 3 recorded compressed fresh air. This pressure is called the current boost pressure. Furthermore, a power controller 25 provided, preferably as four-quadrant 26 is formed, that of the electric machine 4 is assigned and generates a firing pattern for this. The electric machine 4 becomes over the four-quadrant places 26 through an electrical system 27 , in particular a car battery 28 , energizes or feeds energy into it. Further, a control unit 29 for the exhaust gas turbocharger 1 provided by the pressure sensor 24 determined pressure of the compressed air and, for example, the value of one of the electric machine 4 associated, not shown rotor position sensor detected and other values, which are used as input values for the control unit 29 serve. The control unit 29 generates signals to control the four-quadrant actuator 26 and thus the electric machine 4 and for controlling the bypass valve 23 ,

In 2 ist das Planetengetriebe 7 der 1 schematisch dargestellt. Die ein Turbinenrad 30 aufweisende Abtriebswelle 11 der Turbine 2 ist direkt beziehungsweise drehfest mit dem Sonnenrad 19 des Planetengetriebes 7 verbunden. Die ein Verdichterrad 31 aufweisende Antriebswelle 17 des Verdichters 4 ist direkt beziehungsweise drehfest mit dem Planetenträger 32 verbunden, welcher direkt mit dem Planetenradsatz 21 verbunden ist. Die Maschinenwelle 18 der Elektromaschine 4 ist mittels der Außenverzahnung 20' und dem Zahnrad 18' mit dem Hohlrad 20 gekoppelt.In 2 is the planetary gear 7 of the 1 shown schematically. The one turbine wheel 30 having output shaft 11 the turbine 2 is directly or rotationally fixed with the sun gear 19 of the planetary gear 7 connected. The one compressor wheel 31 having drive shaft 17 of the compressor 4 is directly or rotationally fixed to the planet carrier 32 connected, which directly to the planetary gear 21 connected is. The machine shaft 18 the electric machine 4 is by means of external teeth 20 ' and the gear 18 ' with the ring gear 20 coupled.

Die 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Abgasturboladers 1, bei welchem der Verdichter 2 dem Sonnenrad 19, die Turbine 3 dem Planetenradsatz 21 und die Elektromaschine 4 dem Hohlrad 20 zugeordnet ist. Die 3 zeigt weitere mögliche Kopplungen der Turbine 2, des Verdichters 3 und der Elektromaschine 4 durch ein Planetengetriebe 7. Dabei bezeichnet H das Hohlrad 20, P den Planetenradsatz 21 und S das Sonnenrad 19. Durch V ist der Verdichter 2, durch T die Turbine 3 und durch EM die Elektromaschine 4 gekennzeichnet. Bei jedem Ausführungsbeispiel sind die Antriebswelle 17, die Maschinenwelle 18 und die Abtriebswelle 11 stets indirekt durch das Planetengetriebe 7 miteinander gekoppelt. Ferner sind auch Kopplungsmöglichkeiten denkbar, in denen zwei der Wellen an das gleiche Element des Planetengetriebes 7 gekoppelt sind. Möglich ist zum Beispiel, dass sowohl die Abtriebswelle 11 als auch die Antriebswelle 17 mit dem Sonnenrad 19 drehfest verbunden sind.The 1 and 2 show an embodiment of the exhaust gas turbocharger 1 in which the compressor 2 the sun wheel 19 , the turbine 3 the planetary gear set 21 and the electric machine 4 the ring gear 20 assigned. The 3 shows further possible couplings of the turbine 2 , the compressor 3 and the electric machine 4 through a planetary gear 7 , H denotes the ring gear 20 , P the planetary gear set 21 and S the sun wheel 19 , V is the compressor 2 , through T the turbine 3 and by EM the electric machine 4 characterized. In each embodiment, the drive shaft 17 , the machine shaft 18 and the output shaft 11 always indirectly through the planetary gear 7 coupled together. Furthermore, coupling possibilities are conceivable in which two of the shafts to the same element of the planetary gear 7 are coupled. It is possible, for example, that both the output shaft 11 as well as the drive shaft 17 with the sun wheel 19 are rotatably connected.

Es ergibt sich folgende Funktion des Abgasturboladers 1: Bei laufendem Verbrennungsmotor strömen die Abgase entlang der Strömungsrichtung 10 durch die Turbine 2. Dadurch wird das Turbinenrad 30 und insofern die Abtriebswelle 11 in Drehung versetzt. Gemäß dem Drehzahlübersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 7 wird die Antriebswelle 17 und insofern das Verdichterrad 31 in Drehung versetzt. Dadurch wird die durch den Einlasskanal 12 eintretende Frischluft im Verdichter 3 verdichtet und sie verlässt den Verdichter 3 durch den Auslasskanal 13 unter erhöhtem Druck, nämlich dem Ladedruck. Die verdichtete Frischluft wird in einen Zylinder des Verbrennungsmotors geleitet, wo sie für den Verbrennungsprozess eines Kraftstoffs zur Verfügung steht. Aufgrund des erhöhten Drucks der Frischluft lässt sich für die Verbrennung von Kraftstoff benötigte Luftmenge in der Brennkammer des Verbrennungsmotors erhöhen und dadurch mittels Kraftstoffmengenerhöhung eine Steigerung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors erzielen.This results in the following function of the exhaust gas turbocharger 1 When the internal combustion engine is running, the exhaust gases flow along the flow direction 10 through the turbine 2 , This turns the turbine wheel 30 and insofar the output shaft 11 set in rotation. According to the speed ratio of the planetary gear 7 becomes the drive shaft 17 and insofar the compressor wheel 31 set in rotation. This will pass through the inlet channel 12 incoming fresh air in the compressor 3 compacted and she leaves the compressor 3 through the outlet channel 13 under increased pressure, namely the boost pressure. The compressed fresh air is fed into a cylinder of the internal combustion engine, where it is available for the combustion process of a fuel. Due to the increased pressure of the fresh air, it is possible to increase the amount of air required for the combustion of fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine, thereby increasing the power output of the internal combustion engine by increasing the fuel quantity.

Bei einem aktuell geringen Abgasstrom und einer gewünschten Motordrehzahlerhöhung durch eine Leistungssteigerung durch Erhöhen des Drehmoments, zum Beispiel bei einem Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeugs, ist eine dynamische Erhöhung des Ladedrucks wünschenswert. Diese lässt sich durch das Einspeisen von zusätzlicher Energie über die Elektromaschine 4, die als Motor betrieben wird, erzielen. Dabei werden die Drehzahlen der Abtriebswelle 11 der Turbine 2 und der Maschinenwelle 18 der Elektromaschine 4 durch das Planetengetriebe 7 additiv (gemäß den Übersetzungsverhältnissen des Planetengetriebes 7) überlagert, sodass eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle 17 dynamisch beziehungsweise im Wesentlichen frei beeinflussbar erfolgt.With a currently low exhaust gas flow and a desired engine speed increase by an increase in power by increasing the torque, for example during an acceleration process of the motor vehicle, a dynamic increase of the boost pressure is desirable. This can be achieved by feeding additional energy via the electric machine 4 , which is operated as a motor achieve. The speeds of the output shaft 11 the turbine 2 and the machine shaft 18 the electric machine 4 through the planetary gear 7 additive (according to the gear ratios of the planetary gear 7 ) superimposed, so that an increase in the rotational speed of the drive shaft 17 is done dynamically or essentially freely influenced.

Wird eine Einspeisung von zusätzlicher Energie durch die Elektromaschine 4 nicht benötigt, das heißt der durch den Abgasstrom erzeugte Ladedruck ist ausreichend, so wird die Maschinenwelle 18 in Stillstand versetzt. Die Drehzahl der Abtriebswelle 11 wird insofern direkt auf die Antriebswelle 17 übertragen. Der Rotor der Elektromaschine 4 muss demzufolge nicht mitdrehen, was zu einer effektiven Reduzierung des Trägheitsmoments der Antriebswelle 17 führt sowie zu einer geringeren Belastung der Elektromaschine 4. Das Stillstehen des Rotors beziehungsweise der Maschinenwelle 18 wird durch das Trägheitsmoment und die Lagerreibung der Elektromaschine 4 und/oder durch eine optionale Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung erzielt, die das Hohlrad 20, die Maschinenwelle 18 beziehungsweise den Rotor bremst beziehungsweise blockiert. Die Brems- und/oder Verriegelungseinrichtung kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn das Trägheitsmoment beziehungsweise die Lagerreibung der Elektromaschine 4 für den Stillstand des Rotors nicht ausreichend ist. Beim Stillstand des Rotors befindet sich die Elektromaschine 4 insbesondere im abgestellten Zustand. Auch ist es denkbar, die Elektromaschine 4 derart anzusteuern, dass sie stillsteht, auch wenn durch das Planetengetriebe 7 ein Moment auf die Elektromaschine 4 übertragen wird, das deren Trägheitsmoment und Lagerreibung überschreitet.Is an injection of additional energy by the electric machine 4 not needed, that is, the charge pressure generated by the exhaust gas flow is sufficient, so is the machine shaft 18 put in stagnation. The speed of the output shaft 11 is so far directly on the drive shaft 17 transfer. The rotor of the electric machine 4 must therefore not rotate, resulting in an effective reduction of the moment of inertia of the drive shaft 17 leads as well as to a lower load of the electric machine 4 , The standstill of the rotor or the machine shaft 18 is determined by the moment of inertia and the bearing friction of the electric machine 4 and / or achieved by an optional braking and / or locking device, which the ring gear 20 , the machine shaft 18 or the rotor brakes or blocks. The braking and / or locking device is used in particular when the moment of inertia or the bearing friction of the electric machine 4 is not sufficient for the standstill of the rotor. When the rotor is at a standstill, the electric machine is located 4 especially when parked. It is also conceivable, the electric machine 4 such that it stops, even if through the planetary gear 7 a moment on the electric machine 4 is transmitted, which exceeds their moment of inertia and bearing friction.

Bei hohen Motordrehzahlen und demzufolge einem hohen Abgasstrom lässt sich die durch die Abtriebswelle 11 erzeugte Energie auf die Antriebswelle 17 und die Maschinenwelle 18 verteilen. Durch eine dem Verdichter 3 optional zugeordnete Verriegelungseinrichtung lässt sich die Antriebswelle 17 bei Bedarf blockieren. Die zusätzliche Energie wird mittels des Planetengetriebes 7 auf die Maschinenwelle 18 übertragen. Dies bedeutet, dass die Elektromaschine 4 als Generator betrieben wird. Beim Generatorbetrieb überlagern sich die Drehzahlen der Maschinenwelle 20 und der Abtriebswelle 17 gemäß den Übersetzungsverhältnissen des Planetengetriebes 7 zur Drehzahl der Abtriebswelle 11. Ist eine Rückspeisung von Energie durch Betreiben der Elektromaschine 4 als Generator unerwünscht und dennoch eine Verringerung des Ladedrucks gewünscht, so kann das Bypassventil 23 geöffnet werden, um so einen Teil des Abgasstroms durch den Bypasskanal 22 um die Turbine 2 zu leiten. Dadurch erniedrigt sich die Drehzahl der Abtriebswelle 11 und insofern auch die Drehzahl der Antriebswelle 17 und entsprechend der Ladedruck. Die durch das Überlagerungsgetriebe erzeugten Energieflüsse werden bevorzugt allein durch die Ansteuerung der Elektromaschine 4, insbesondere als Generator, gesteuert.At high engine speeds and consequently a high exhaust gas flow can be through the output shaft 11 generated energy on the drive shaft 17 and the machine shaft 18 to distribute. Through a compressor 3 Optionally assigned locking device can be the drive shaft 17 at Block demand. The additional energy is generated by means of the planetary gear 7 on the machine shaft 18 transfer. This means that the electric machine 4 operated as a generator. During generator operation, the rotational speeds of the machine shaft are superimposed 20 and the output shaft 17 according to the gear ratios of the planetary gear 7 to the speed of the output shaft 11 , Is a recovery of energy by operating the electric machine 4 unwanted as a generator and still desired a reduction of the boost pressure, so the bypass valve 23 be opened, so as a part of the exhaust gas flow through the bypass channel 22 around the turbine 2 to lead. This reduces the speed of the output shaft 11 and insofar as the speed of the drive shaft 17 and according to the boost pressure. The energy flows generated by the superposition gear are preferably solely by the control of the electric machine 4 , in particular as a generator, controlled.

Die 4 zeigt eine schematische Darstellung der dynamischen Ladedruckregelung, das heißt der Regelung der vom Verdichter 3 verdichteten Frischluft. In der Steuereinheit 29 wird die Differenz Δp des vom Drucksensor 24 ermittelten Ladedrucks p_act und dem gewünschten Ladedruck p_ref bestimmt. Diese entspricht einer Stellgröße u, die ein Maß für den Energiefluss darstellt, der zum Abbau beziehungsweise Aufbau des Ladedrucks in Richtung und Betrag notwendig ist. In der Steuereinheit 29 wird abhängig vom Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors, der sich zum Beispiel durch die Motordrehzahl auszeichnet, und einem Ladezustand der Batterie 28 entschieden, über welchen Energieflusspfad eine Einstellung des Abgasturboladers 1 vorgenommen werden soll. Dabei können verschiedene Fälle unterschieden werden:
Im Fall, dass die Differenz Δp = p_ref – p_act größer Null ist, ist eine Ladedruckerhöhung zu erzielen, das heißt, eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle 17 des Verdichters 3. Sofern das Bypassventil 23 geöffnet beziehungsweise teilweise geöffnet ist, ist eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle 17 durch das Schließen des Bypassventils 23 möglich. Bei bereits geschlossenem Bypassventil 23 ist die Drehzahlerhöhung der Antriebswelle 17 durch Betreiben der Elektromaschine als Motor möglich. Das heißt, die Drehzahlen der Abtriebswelle 11 und der Maschinenwelle 18 werden additiv überlagert um die Drehzahl der Antriebswelle 17 zu erhöhen. Zum Betreiben der Elektromaschine 4 als Motor wird Energie von der Batterie 28 genutzt.The 4 shows a schematic representation of the dynamic boost pressure control, that is, the regulation of the compressor 3 compressed fresh air. In the control unit 29 the difference Δp of the pressure sensor 24 determined boost pressure p _act and the desired boost pressure p _ref determined. This corresponds to a manipulated variable u, which represents a measure of the energy flow that is necessary to reduce or build up the charge pressure in the direction and amount. In the control unit 29 is dependent on the operating point of the internal combustion engine, which is characterized for example by the engine speed, and a state of charge of the battery 28 decided on which energy flow path adjustment of the exhaust gas turbocharger 1 should be made. Different cases can be distinguished:
In the event that the difference Δp = p _ref - p _{act is} greater than zero, a boost pressure increase is achieved, that is, an increase in the rotational speed of the drive shaft 17 of the compressor 3 , Unless the bypass valve 23 is open or partially open, is an increase in the speed of the drive shaft 17 by closing the bypass valve 23 possible. With already closed bypass valve 23 is the speed increase of the drive shaft 17 by operating the electric machine as a motor possible. That is, the rotational speeds of the output shaft 11 and the machine shaft 18 are additive superimposed by the speed of the drive shaft 17 to increase. To operate the electric machine 4 As a motor, energy is taken from the battery 28 used.

Im Fall, dass die Differenz Δp = p_ref – p_act kleiner Null ist, ist eine Reduzierung des Ladedrucks notwendig, das heißt, eine Reduzierung der Drehzahl der Antriebswelle 17. Sofern die Batterie nicht vollständig geladen ist und eine Energierückspeisung in die Batterie erforderlich ist, wird die Elektromaschine 4 als Generator betrieben. Ist die Batterie bereits vollständig geladen, so wird durch Öffnen des Bypassventils 23 die Drehzahl der Abtriebswelle 11 der Turbine 2 gesenkt.In the case that the difference Δp = p _ref -p _{act is} smaller than zero, a reduction of the boost pressure is necessary, that is, a reduction in the rotational speed of the drive shaft 17 , Unless the battery is fully charged and energy recovery is required in the battery, the electric machine becomes 4 operated as a generator. If the battery is already fully charged, it will open by opening the bypass valve 23 the speed of the output shaft 11 the turbine 2 lowered.

Die hier betrachteten Fälle bezeichnen Grenzfälle. Im realen Betrieb sind auch Zwischenzustände möglich, zum Beispiel Zustände, in denen sowohl das Bypassventil 23 betätigt als auch die Elektromaschine 4 betrieben wird. Je nach Größe und Vorzeichen der Stellgröße u wird von einer Einheit 33, die der Steuereinheit 29 zugeordnet ist, ein Signal u_WG zur Ansteuerung des Bypassventils 23 und ein Signal u_EM zur Ansteuerung der Elektromaschine 4 erzeugt. Die Aufbereitung der Signale u_WG beziehungsweise u_EM übernehmen eine Stelleinrichtung 34 für das Bypassventil 23 beziehungsweise der Vierquadrantensteller 26 für die Elektromaschine 4. Die Stelleinrichtung 34 beziehungsweise der Vierquadrantensteller 26 steuern das Bypassventil 23 beziehungsweise die Elektromaschine 4 direkt an.The cases considered here are borderline cases. In real operation, intermediate states are also possible, for example states in which both the bypass valve 23 operated as well as the electric machine 4 is operated. Depending on the size and sign of the manipulated variable u is a unit 33 , the control unit 29 is assigned, a signal u _WG for controlling the bypass valve 23 and a signal u _EM for controlling the electric machine 4 generated. The processing of the signals u _WG or u _EM take over an adjusting device 34 for the bypass valve 23 or the four-quadrant manufacturer 26 for the electric machine 4 , The adjusting device 34 or the four-quadrant manufacturer 26 control the bypass valve 23 or the electric machine 4 directly to.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007046643 A1 [0003]

Claims

Exhaust gas turbocharger ( 1 ) for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, with a compressor ( 3 ), with a turbine ( 2 ) and one with the compressor ( 3 ) and / or with the turbine ( 2 ) operatively connected electric machine ( 4 ), characterized in that the compressor ( 3 ), the turbine ( 2 ) and the electric machine ( 4 ) by a superposition gear ( 5 ), in particular a speed superposition gear ( 6 ) are coupled together.

Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the compressor ( 3 ) a drive shaft ( 17 ), the turbine ( 2 ) an output shaft ( 11 ) and the electric machine ( 4 ) a machine shaft ( 18 ) provided by the superposition gearing ( 5 ) are interconnected.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the superposition gear ( 5 ) as a planetary gear ( 7 ) is trained.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the planetary gear ( 7 ) with the output shaft ( 11 ) coupled sun wheel ( 19 ), one with the machine shaft ( 18 ) coupled ring gear ( 20 ) and one with the drive shaft ( 17 ) coupled planetary gear set ( 21 ) having.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized by at least one of the electric machines ( 4 ) associated brake and / or locking device.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized by at least one compressor ( 3 ) associated braking and / or locking device, wherein the braking and / or locking device in particular with a compressor wheel ( 31 ) operatively connected by a freewheel drive shaft ( 17 ) assigned.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 3 ) a pressure sensor ( 24 ) is assigned to determine a current boost pressure.

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized by at least one of the turbines ( 2 ) associated bypass channel ( 22 ) with an actuatable bypass valve ( 23 ).

Exhaust gas turbocharger according to one of the preceding claims, characterized in that the electric machine ( 4 ) is designed as an asynchronous machine or switched reluctance machine, which in particular has a magnetless rotor.

Method for operating an exhaust gas turbocharger according to one or more of the preceding claims for boost pressure control of an internal combustion engine, characterized in that the compressor ( 3 ), the turbine ( 2 ) and the electric machine ( 4 ) by a superposition gear ( 5 ), in particular a speed superposition gear ( 6 ), coupled with each other.