DE102014218539A1 - Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) eines Verbrennungsmotors, mit einem im Abgastrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Turbinenrad (2), mit einer Turbinenwelle (3), mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad (4), mit einer Verdichterwelle (5), und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (6), wobei der Rotor (6) über ein als ein einfaches Planetengetriebe (PG) ausgebildetes Überlagerungsgetriebe (7) mit der Turbinenwelle (3) und der Verdichterwelle (5) in Triebverbindung steht, und bei dem das Planetengetriebe (PG) ein Sonnenrad (S), einen mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T) und ein Hohlrad (R) aufweist. Zur Erzielung einer relativ niedrigen Ruheübersetzung (iR) zwischen dem Turbinenrad (2) und dem Verdichterrad (4) ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Turbinenwelle (3) drehfest mit dem Sonnenrad (5) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist, dass die Elektromaschine (EM) koaxial über der Turbinenwelle (3) angeordnet ist, dass der Rotor (6) der Elektromaschine (EM) drehfest mit dem Planetenträger (T) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist, und dass die Verdichterwelle (5) drehfest mit dem Hohlrad (R) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, mit einem im Abgastrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Turbinenrad, mit einer Turbinenwelle, mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad, mit einer Verdichterwelle, und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine mit einem Rotor, wobei der Rotor über ein als ein einfaches Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe mit der Turbinenwelle und der Verdichterwelle in Triebverbindung steht, und bei dem das Planetengetriebe ein Sonnenrad, einen mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und ein Hohlrad aufweist.
  • In seiner einfachsten Bauart weist ein Abgasturbolader ein im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Turbinenrad und ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Verdichterrad auf, die über eine Rotorwelle drehfest miteinander verbunden sind. Somit treibt das durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetriebene Turbinenrad unmittelbar das im Ansaugtrakt angeordnete Verdichterrad an, durch das die Ansaugluft verdichtet und somit die Füllung des Verbrennungsmotors erhöht wird. Die erhöhte Füllung kann zur Leistungssteigerung und/oder zur Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors genutzt werden. Nachteilig an einem derart aufgeladenen Verbrennungsmotor sind ein als Turboloch bezeichnetes verzögertes Ansprechverhalten bei niedriger Motordrehzahl und ein zu hoher Ladedruck bei hoher Motordrehzahl, der üblicherweise mittels eines im Ansaugtrakt angeordnetes Ablassventil abgesenkt wird.
  • Aus der US 5 857 332 A ist ein Abgasturbolader bekannt, bei dem eine als Motor und Generator betreibbare Elektromaschine koaxial über der Rotorwelle des Abgasturboladers angeordnet ist. Der Rotor der Elektromaschine ist unmittelbar drehfest mit der Turboladerwelle verbunden. Durch einen Motorbetrieb der Elektromaschine kann das Verdichterrad zusätzlich zu dem Antrieb durch das Turbinenrad beschleunigt werden, was zum Beispiel beim Anfahren und Beschleunigen eines Kraftfahrzeugs bei niedriger Motordrehzahl genutzt werden kann. Durch einen Generatorbetrieb der Elektromaschine kann der Rotorwelle Energie entzogen und zur Ladung eines elektrischen Energiespeichers verwendet werden, was beispielsweise bei hoher Motordrehzahl und im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors genutzt werden kann. Nachteilig wird dadurch jedoch jeweils die Drehzahl des Turbinenrades relativ zum Abgasstrom verändert, wodurch der Wirkungsgrad des Abgasturboladers sinkt.
  • Zur Vermeidung dieses Nachteils wird in der DE 10 2009 001 796 A1 vorgeschlagen, bei einem Abgasturbolader anstelle einer unmittelbaren Verbindung über eine Rotorwelle das Turbinenrad und das Verdichterrad über ein als Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe sowie eine Elektromaschine miteinander zu verbinden. Das Turbinenrad steht mit einem ersten Element des Planetengetriebes, der Rotor der Elektromaschine mit einem zweiten Element des Planetengetriebes, und das Verdichterrad mit einem dritten Element des Planetengetriebes in Triebverbindung. Mittels der Elektromaschine und dem Überlagerungsgetriebe kann die Drehzahl des Verdichterrades nun relativ zur Drehzahl des Turbinenrades verändert werden. Der konkrete Aufbau und die triebtechnische Einbindung des Überlagerungsgetriebes sind dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
  • Ein Abgasturbolader mit einer konkreten Ausbildung eines als Planetengetriebe ausgebildeten Überlagerungsgetriebes ist dagegen aus der DE 10 2011 005 825 A1 bekannt. Das Überlagerungsgetriebe ist als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildet. Das Turbinenrad ist über eine Turbinenwelle drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden. Das Verdichterrad ist über eine Verdichterwelle drehfest mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes verbunden. Die Elektromaschine ist radial oder achsparallel zur Turbinenwelle angeordnet, und der Rotor der Elektromaschine steht über eine Untersetzungsstufe mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes in Triebverbindung.
  • Ein weiterer Abgasturbolader mit einem ähnlich ausgebildeten Überlagerungsgetriebe geht aus der US 2013/0 269 342 A1 hervor. Bei identischem Aufbau und prinzipiell gleicher triebtechnischer Einbindung des Überlagerungsgetriebes ist die Elektromaschine nun jedoch koaxial über der Turbinenwelle angeordnet, und der Rotor der Elektromaschine ist unmittelbar drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden.
  • Zudem ist zur Abkoppelung des Turbinenrades eine Trennkupplung zwischen dem Turbinenrad und der Turbinenwelle vorgesehen. Zur Abstützung des Sonnenrades des Überlagerungsgetriebes bei geöffneter Trennkupplung ist zwischen der Turbinenwelle und dem Ladergehäuse eine Freilaufkupplung angeordnet.
  • Aufgrund der triebtechnischen Einbindung des als einfaches Planetengetriebe ausgebildeten Überlagerungetriebes gemäß der DE 10 2011 005 825 A1 und der US 2013/0 269 342 A1 ergibt sich bei stillstehendem Rotor der Elektromaschine eine ungünstig hohe Ruheübersetzung zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader der eingangs genannten Bauart vorzuschlagen, der eine zu den bekannten Ausführungen alternative triebtechnische Einbindung eines als einfaches Planetengetriebe ausgebildeten Überlagerungsgetriebes mit einer niedrigeren Ruheübersetzung zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad aufweist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird durch einem Abgasturbolader erreicht, welcher die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Demnach geht die Erfindung aus von einem Abgasturbolader eines Verbrennungsmotors, mit einem im Abgastrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Turbinenrad, mit einer Turbinenwelle, mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad, mit einer Verdichterwelle, und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine mit einem Rotor, wobei der Rotor über ein als ein einfaches Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe mit der Turbinenwelle und der Verdichterwelle in Triebverbindung steht, und bei dem das Planetengetriebe ein Sonnenrad, einen mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger und ein Hohlrad aufweist. Gemäß der Erfindung ist bei diesem Abgasturbolader vorgesehen, dass die Turbinenwelle drehfest mit dem Sonnenrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, dass die Elektromaschine koaxial über der Turbinenwelle angeordnet ist, dass der Rotor der Elektromaschine drehfest mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, und dass die Verdichterwelle drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist.
  • Bei der bekannten triebtechnischen Einbindung des Überlagerungsgetriebes gemäß der DE 10 2011 005 825 A1 und der US 2013/0 269 342 A1 ergibt sich die Ruheübersetzung iR zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad bei stillstehendem Rotor der Elektromaschine gemäß der Formel iR = 1 – i0, wobei mit i0 die Standübersetzung des Planetengetriebes bezeichnet ist. Die Ruheübersetzung iR liegt somit im Bereich zwischen 2,5 und 5,0, wodurch die Drehzahl des Verdichterrades, nachfolgend Verdichterdrehzahl genannt, gegenüber der Drehzahl der Turbine, nachfolgend Turbinendrehzahl genannt, vergleichsweise niedrig ist.
  • Dagegen ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Abgasturboladers vorgesehen, dass der Rotor der Elektromaschine drehfest mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes sowie die Verdichterwelle drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden sind. Demzufolge ergibt sich die Ruheübersetzung iR zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad nun zu iR = i0. Die Ruheübersetzung iR liegt daher nun im Bereich zwischen –4,0 und –1,5. Sie ist somit absolut niedriger als bei der beschriebenen, bekannten triebtechnischen Einbindung des Überlagerungsgetriebes in den Abgasturbolader. Die absolut niedrigere Ruheübersetzung iR des Überlagerungsgetriebes führt vorteilhaft zu einer höheren Verdichterdrehzahl gegenüber der Turbinendrehzahl. Die damit verbundene Drehrichtungsumkehr des Verdichterrades gegenüber dem Turbinenrad erfordert zwar die Verwendung eines Verdichterrades mit entsprechend gedrehter Anordnung der Beschaufelung, was aber keinen wesentlichen Nachteil darstellt.
  • Ausgehend von einem stillstehenden Rotor im Ruhebetrieb der Elektromaschine kann die Verdichterdrehzahl durch eine Drehung des Rotors entgegen der Drehrichtung des Turbinenrades erhöht werden. Zwar ist auch eine Verringerung der Verdichterdrehzahl möglich, für die der Rotor der Elektromaschine in Drehrichtung des Turbinenrades rotieren müsste. Da dies angesichts der ohnehin relativ niedrigen Verdichterdrehzahl aber ohne praktischen Nutzen ist, wird davon ausgegangen, dass der Rotor der Elektromaschine sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb nur entgegen der Drehrichtung des Turbinenrades rotiert.
  • Der Rotor der Elektromaschine ist vorzugsweise über einen drehbar auf der Turbinenwelle gelagerten Hohlwellenabschnitt mit dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes verbunden. Hierdurch werden auf den Rotor der Elektromaschine wirksame Radial- und Axialkräfte vorteilhaft über die Lagerung des Hohlwellenabschnittes in die Turbinenwelle übertragen und von dieser über die Lagerung der Turbinenwelle in das Lagergehäuse eingeleitet. Die Verzahnungen des Planetengetriebes bleiben somit von diesen Kräften unbelastet, was vorteilhaft zu einer höheren Gebrauchsdauer des Überlagerungsgetriebes führt.
  • Damit der Planetenträger des Überlagerungsgetriebes bei stillstehendem Rotor der Elektromaschine ohne Energieaufwand abgestützt werden kann, ist gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen, dass zwischen dem Rotor der Elektromaschine oder dem Planetenträger des Überlagerungsgetriebes oder dem diese verbindenden Hohlwellenabschnitt sowie einem Abschnitt des Ladergehäuses eine Freilaufkupplung angeordnet. Diese Freilaufkupplung schließt bei einer Drehung des drehbaren Bauteils in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades selbsttätig und öffnet bei einer Drehung des drehbaren Bauteils entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades selbsttätig.
  • Zudem kann zur Vermeidung eines rückwärts, also entgegen der vorgesehenen Drehrichtung, drehenden Turbinenrades eine weitere Freilaufkupplung zwischen der Turbinenwelle und einem Abschnitt des Ladergehäuses angeordnet sein, die bei einer Drehung der Turbinenwelle in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades selbsttätig öffnet und bei einer Drehung der Turbinenwelle entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades selbsttätig schließt. Durch die gehäusefeste Arretierung der Turbinenwelle bei geschlossener Freilaufkupplung wird eine Drehung des Turbinenrades entgegen der vorgesehenen Drehrichtung, die bei einem niedrigen Abgasvolumenstrom auftreten kann, verhindert, und damit das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors bei einem nachfolgenden Anfahrvorgang oder Beschleunigungsvorgang verbessert, Zur permanenten Erhöhung der Verdichterdrehzahl gegenüber der Turbinendrehzahl kann vorgesehen sein, dass eine Hochtriebstufe zwischen dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes und der Verdichterwelle angeordnet. Diese Hochtriebstufe kann an sich beliebig ausgeführt sein.
  • Um die aufgrund der Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes gegebene Drehrichtungsumkehr zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad zu kompensieren, ist die Hochtriebstufe jedoch bevorzugt als ein einfaches Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, einem mehrere Planetenräder tragenden Planetenträger, und einem Hohlrad ausgebildet, dessen Hohlrad drehfest mit dem Hohlrad des Überlagerungsgetriebes verbunden ist, dessen Planetenträger gehäusefest arretiert ist, und dessen Sonnenrad drehfest mit der Verdichterwelle verbunden ist.
  • Bei dieser Ausführung der Hochtriebstufe entspricht deren Standübersetzung i0' bevorzugt der Standübersetzung i0 des Überlagerungsgetriebes (i0' = i0), da dann bei stillstehendem Rotor der Elektromaschine die Turbinendrehzahl und die Verdichterdrehzahl identisch sind.
  • Bei der genannten Ausführung der Hochtriebstufe als eine Planetengetriebestufe kann anstelle der zwischen der Turbinenwelle und dem Ladergehäuse angeordneten Freilaufkupplung zwischen der Turbinenwelle und der Verdichterwelle eine Freilaufkupplung angeordnet sein, die bei einer Verdichterdrehzahl, welche größer oder gleich groß ist wie die Turbinendrehzahl (nV ≥ nT), selbsttätig schließt, und die bei einer Verdichterdrehzahl, die kleiner als die Turbinendrehzahl ist (nV < nT), selbsttätig öffnet. Durch diese Freilaufkupplung wird das Turbinenrad mindestens auf der Verdichterdrehzahl gehalten, wodurch das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors, insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen bei niedriger Motordrehzahl, verbessert wird.
  • Damit bei Verwendung einer derartigen Freilaufkupplung die Verdichterdrehzahl noch über die Elektromaschine gegenüber der Turbinendrehzahl verstellt werden kann, ist die Standübersetzung (i0') der Hochtriebstufe in diesem Fall im Betrag niedriger als die Standübersetzung (i0) des Überlagerungsgetriebes (|i0'| < |i0|). Das Verdichterrad kann dann ausgehend von einer niedrigeren Verdichterdrehzahl bei stillstehendem Rotor mittels der Elektromaschine bis zum Erreichen der Turbinendrehzahl beschleunigt werden, bevor das Verdichterrad und das Turbinenrad bei geschlossener Freilaufkupplung bedarfsweise gemeinsam durch die Elektromaschine weiter beschleunigt werden können.
  • Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
  • 1 Eine Basisausführungsform eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Abgasturboladers in einer schematischen Längsansicht,
  • 2 eine Weiterbildung des Abgasturboladers gemäß 1 in einer schematischen Längsansicht,
  • 3 eine Weiterbildung des Abgasturboladers gemäß 2 in einer schematischen Längsansicht, und
  • 4 eine Weiterbildung des Abgasturboladers gemäß 3 in einer schematischen Längsansicht.
  • Eine als Basisausführung vorgesehene erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1.1 ist in 1 in einer schematischen Längsansicht dargestellt. Der Abgasturbolader 1.1 weist ein im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Turbinenrad 2, eine Turbinenwelle 3, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordnetes Verdichterrad 4, eine Verdichterwelle 5, und eine als Motor und Generator betreibbare Elektromaschine EM mit einem Rotor 6 auf. Die Turbinenwelle 3, die Verdichterwelle 5 und der Rotor 6 der Elektromaschine EM stehen über ein Überlagerungsgetriebe 7 miteinander in Triebverbindung. Das Überlagerungsgetriebe 7 ist als ein einfaches Planetengetriebe PG mit einem Sonnenrad S, einem mehrere Planetenräder P tragenden Planetenträger T, und einem Hohlrad R ausgebildet.
  • Die Turbinenwelle 3 ist drehfest mit dem Sonnenrad S des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden. Die Elektromaschine EM ist koaxial über der Turbinenwelle 3 angeordnet, und der Rotor 6 der Elektromaschine EM ist über einen drehbar auf der Turbinenwelle 3 gelagerten Hohlwellenabschnitt 8 drehfest mit dem Planetenträger T des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden. Die Verdichterwelle 5 ist drehfest mit dem Hohlrad R des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden.
  • Aufgrund der Ausbildung und der triebtechnischen Einbindung des Überlagerungsgetriebes 7 ergibt sich bei stillstehendem Rotor 6 der Elektromaschine EM eine Ruheübersetzung iR zwischen dem Turbinenrad 2 und dem Verdichterrad 4 von iR = i0, wobei mit i0 die Standübersetzung des Planetengetriebes PG bezeichnet ist. Demnach liegt die Ruheübersetzung iR im Bereich zwischen –4,0 und –1,5, welche mit einer Drehrichtungsumkehr des Verdichterrades 4 in Bezug zum Turbinenrad 2 verbunden ist.
  • Ausgehend von einem stillstehenden Rotor 6 im Ruhebetrieb der Elektromaschine EM kann die Verdichterdrehzahl nV durch eine Drehung des Rotors 6 entgegen der Drehrichtung des Turbinenrades 2 erhöht werden. Zwar ist auch eine Verringerung der Verdichterdrehzahl nV möglich, für die der Rotor 6 der Elektromaschine EM in Drehrichtung des Turbinenrades 2 rotieren müsste. Da dies angesichts der ohnehin relativ niedrigen Verdichterdrehzahl nV aber ohne praktischen Nutzen ist, wird davon ausgegangen, dass der Rotor 6 der Elektromaschine EM sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb nur entgegen der Drehrichtung des Turbinenrades 2 rotiert.
  • Eine zweite Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Abgasturboladers 1.2, welche eine Weiterbildung des Abgasturboladers 1.1 gemäß 1 darstellt, ist in 2 in einer schematischen Längsansicht dargestellt.
  • Im Unterschied zu dem Abgasturbolader 1.1 gemäß 1 ist nun zwischen dem den Rotor 6 der Elektromaschine EM und den Planetenträger T des Überlagerungsgetriebes 7 verbindenden Hohlwellenabschnitt 8 sowie einem Abschnitt des Ladergehäuses 9 eine erste Freilaufkupplung 10 angeordnet, die bei einer Drehung des Hohlwellenabschnitts 8 in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 selbsttätig schließt, und die bei einer Drehung des Hohlwellenabschnitts 8 entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 selbsttätig öffnet. Durch die Freilaufkupplung 10 wird eine Drehung des Rotors 6 der Elektromaschine EM und des mit diesem drehfest verbundenen Planetenträgers T des Überlagerungsgetriebes 7 entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 freigegeben, eine Drehung des Rotors 6 und des Planetenträgers T in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 wird dagegen verhindert. Durch die gehäusefeste Arretierung des Hohlwellenabschnittes 8 bei geschlossener Freilaufkupplung 10 wird der Planetenträger T des Überlagerungsgetriebes 7 bei stillstehendem Rotor 5 der Elektromaschine EM ohne Energieaufwand gehäuseseitig abgestützt.
  • Als weiterer Unterschied zu dem Abgasturbolader 1.1 gemäß 1 ist in dem vorliegenden Abgasturbolader 1.2 gemäß 2 zwischen der Turbinenwelle 3 und einem Abschnitt des Ladergehäuses 9 eine zweite Freilaufkupplung 11 angeordnet, die bei einer Drehung der Turbinenwelle 3 in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 selbsttätig öffnet, und die bei einer Drehung der Turbinenwelle 3 entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades 2 selbsttätig schließt. Durch die gehäusefeste Arretierung der Turbinenwelle 3 bei geschlossener Freilaufkupplung 11 wird eine Drehung des Turbinenrades 2 entgegen der vorgesehenen Drehrichtung, die bei einem niedrigen Abgasvolumenstrom auftreten kann, verhindert. Dadurch wird im Ergebnis das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors bei einem nachfolgenden Anfahrvorgang oder Beschleunigungsvorgang verbessert.
  • Eine dritte Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Abgasturboladers 1.3, welche eine Weiterbildung des Abgasturboladers 1.2 gemäß 2 bildet, ist in 3 in einer schematischen Längsansicht dargestellt.
  • Im Unterschied zu dem Abgasturbolader 1.2 gemäß 2 ist nun zwischen dem Hohlrad R des Überlagerungsgetriebes 7 und der Verdichterwelle 5 Zusätzlich eine Hochtriebstufe 12 mit einer Übersetzung iH kleiner als eins (iH < 1) angeordnet. Die Hochtriebstufe 12 ist als ein einfaches Planetengetriebe PG' mit einem Sonnenrad S', einem mehrere Planetenräder P' tragenden Planetenträger T', und einem Hohlrad R' ausgebildet. Bei diesem Planetengetriebe PG' ist das Hohlrad R' drehfest mit dem Hohlrad R des Überlagerungsgetriebes 7 verbunden, der Planetenträger T' ist gehäusefest arretiert, und das Sonnenrad S' ist drehfest mit der Verdichterwelle 5 verbunden. Die Übersetzung im dieser Hochtriebstufe 12 ergibt sich demnach durch die Formel iH = 1/i0', wobei mit i0' die Standübersetzung des Planetengetriebes PG' bezeichnet ist.
  • Durch die derart ausgebildete Hochtriebstufe 12 wird einerseits die Verdichterdrehzahl nV gegenüber der Turbinendrehzahl nT erhöht, und andererseits wird die durch die Ausbildung und Anordnung des Überlagerungsgetriebes 7 gegebene Drehrichtungsumkehr zwischen dem Turbinenrad 2 und dem Verdichterrad 4 ausgeglichen. Wenn die Standübersetzung i0 der Hochtriebstufe 12 der Standübersetzung i0 des Überlagerungsgetriebes 7 entspricht (i0' = i0), sind die Verdichterdrehzahl nV und die Turbinendrehzahl nT bei stillstehendem Rotor 6 der Elektromaschine EM sogar identisch.
  • Eine vierte Ausführungsform eines gemäß den Merkmalen der Erfindung ausgebildeten Abgasturboladers 1.4, welche eine Weiterbildung des Abgasturboladers 1.3 gemäß 3 bildet, ist in 4 in einer schematischen Längsansicht dargestellt.
  • Im Unterschied zu dem Abgasturbolader 1.3 gemäß 3 ist bei dem Abgasturbolader 1.4 gemäß 4 anstelle der zweiten Freilaufkupplung 11 zwischen der Turbinenwelle 3 und der Verdichterwelle 5 eine radial innere Freilaufkupplung 13 angeordnet, welche bei einer Verdichterdrehzahl nV, die größer oder gleich der Turbinendrehzahl nT ist (nV ≥ nT), selbsttätig schließt, und die bei einer Verdichterdrehzahl nV, welche kleiner ist als die Turbinendrehzahl nT ist (nV < nT), selbsttätig öffnet. Durch diese radial innere Freilaufkupplung 13 wird das Turbinenrad 2 mindestens auf der Verdichterdrehzahl nV gehalten, wodurch das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors, insbesondere beim Anfahren und Beschleunigen bei niedriger Motordrehzahl, verbessert wird.
  • Damit bei vorhandener radial innerer Freilaufkupplung 13 die Verdichterdrehzahl nV nach über die Elektromaschine EM gegenüber der Turbinendrehzahl nT verstellt werden kann, ist die Standübersetzung i0' der Hochtriebstufe 12 in diesem Fall im Betrag niedriger als die Standübersetzung i0 des Überlagerungsgetriebes 7 (|i0'| < |i0|). Das Verdichterrad 5 kann dann ausgehend von einer relativ niedrigen Verdichterdrehzahl nV bei stilstehendem Rotor 6 mittels der Elektromaschine EM bis zum Erreichen der Turbinendrehzahl nT beschleunigt werden. Danach können das Verdichterrad 3 und das Turbinenrad 5 bei geschlossener Freilaufkupplung 13 bedarfsweise gemeinsam über die Elektromaschine EM weiter beschleunigt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.1
    Abgasturbolader, erste Ausführung
    1.2
    Abgasturbolader, zweite Ausführung
    1.3
    Abgasturbolader, dritte Ausführung
    1.4
    Abgasturbolader; vierte Ausführung
    2
    Turbinenrad
    3
    Turbinenwelle
    4
    Verdichterrad
    5
    Verdichterwelle
    6
    Rotor von EM
    7
    Überlagerungsgetriebe
    8
    Hohlwellenabschnitt
    9
    Ladergehäuse
    10
    Erste Freilaufkupplung
    11
    Zweite Freilaufkupplung
    12
    Hochtriebstufe
    13
    Radial innere Freilaufkupplung
    EM
    Elektromaschine
    i0
    Standübersetzung von Planetengetriebe PG
    i0'
    Standübersetzung von Planetengetriebe PG'
    iH
    Übersetzung von Hochtriebstufe 12
    iR
    Ruheübersetzung
    nT
    Turbinendrehzahl
    nV
    Verdichterdrehzahl
    P
    Planetenrad von Planetengetriebe PG
    P
    Planetenrad von Planetengetriebe PG'
    PG
    Planetengetriebe
    PG'
    Planetengetriebe
    R
    Hohlrad von Planetengetriebe PG
    R'
    Hohlrad von Planetengetriebe PG'
    S
    Sonnenrad von Planetengetriebe PG
    S'
    Sonnenrad von Planetengetriebe PG'
    T
    Planetenträger von Planetengetriebe PG
    T'
    Planetenträger von Planetengetriebe PG'
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5857332 A [0003]
    • DE 102009001796 A1 [0004]
    • DE 102011005825 A1 [0005, 0008, 0012]
    • US 2013/0269342 A1 [0006, 0008, 0012]

Claims (9)

  1. Abgasturbolader (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) eines Verbrennungsmotors, mit einem im Abgastrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Turbinenrad (2), mit einer Turbinenwelle (3), mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors drehbar angeordneten Verdichterrad (4), mit einer Verdichterwelle (5), und mit einer als Motor und Generator betreibbaren Elektromaschine (EM) mit einem Rotor (6), wobei der Rotor (6) über ein als ein einfaches Planetengetriebe (PG) ausgebildetes Überlagerungsgetriebe (7) mit der Turbinenwelle (3) und der Verdichterwelle (5) in Triebverbindung steht, und bei dem das Planetengetriebe (PG) ein Sonnenrad (S), einen mehrere Planetenräder (P) tragenden Planetenträger (T) und ein Hohlrad (R) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenwelle (3) drehfest mit dem Sonnenrad (5) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist, dass die Elektromaschine (EM) koaxial über der Turbinenwelle (3) angeordnet ist, dass der Rotor (6) der Elektromaschine (EM) drehfest mit dem Planetenträger (T) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist, und dass die Verdichterwelle (5) drehfest mit dem Hohlrad (R) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist.
  2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) der Elektromaschine (EM) über einen drehbar auf der Turbinenwelle (3) gelagerten Hohlwellenabschnitt (8) mit dem Planetenträger (T) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist.
  3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (6) der Elektromaschine (EM) oder dem Planetenträger (T) des Überlagerungsgetriebes (7) oder dem diese verbindenden Hohlwellenabschnitt (8) und einem Abschnitt des Ladergehäuses (9) eine Freilaufkupplung (10) angeordnet ist, die bei einer Drehung des drehbaren Bauteils (6, T, 8) in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades (2) selbsttätig schließt und bei einer Drehung des drehbaren Bauteils (6, T, 8) entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades (2) selbsttätig öffnet.
  4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbinenwelle (3) und einem Abschnitt des Ladergehäuses (9) eine Freilaufkupplung (11) angeordnet ist, die bei einer Drehung der Turbinenwelle (3) in der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades (2) selbsttätig öffnet und bei einer Drehung der Turbinenwelle (3) entgegen der vorgesehenen Drehrichtung des Turbinenrades (2) selbsttätig schließt.
  5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hohlrad (R) des Überlagerungsgetriebes (7) und der Verdichterwelle (5) eine Hochtriebstufe (12) angeordnet ist.
  6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtriebstufe (12) als ein einfaches Planetengetriebe (PG') mit einem Sonnenrad (S'), einem mehrere Planetenräder (P') tragenden Planetenträger (T') und einem Hohlrad (R') ausgebildet ist, dessen Hohlrad (R') drehfest mit dem Hohlrad (R) des Überlagerungsgetriebes (7) verbunden ist, dessen Planetenträger (T') gehäusefest arretiert ist, und dessen Sonnenrad (S') drehfest mit der Verdichterwelle (5) verbunden ist.
  7. Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Standübersetzung (i0') der Hochtriebstufe (12) der Standübersetzung (1) des Überlagerungsgetriebes (7) entspricht.
  8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Turbinenwelle (3) und der Verdichterwelle (5) eine Freilaufkupplung (13) angeordnet ist, die bei einer Verdichterdrehzahl (nV), die größer oder gleich der Turbinendrehzahl (nT) ist, selbsttätig schließt, sowie bei einer Verdichterdrehzahl (nV), die kleiner als die Turbinendrehzahl (nT) ist, selbsttätig öffnet.
  9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Standübersetzung (i0') der Hochtriebstufe (13) im Betrag niedriger als die Standübersetzung (i0) des Überlagerungsgetriebes (7) ist.
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