DE102015220584B4

DE102015220584B4 - Mit verringerter Drehzahl angetriebener Turbolader

Info

Publication number: DE102015220584B4
Application number: DE102015220584.3A
Authority: DE
Inventors: Jared William Brown; Tom Waldron; Ryan Sherrill
Original assignee: Superturbo Technologies Inc
Current assignee: Superturbo Technologies Inc
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2035-10-23
Also published as: US20160123223A1; DE102015220584A1; JP6466306B2; MX2015014009A; CN105569829B; CN105569829A; MX364676B; US9879597B2; JP2016084815A

Abstract

Angetriebener Turbolader für ein Motorsystem, umfassend:
eine Turbowelle;
einen Verdichter, der mit einer ersten Position an der Turbowelle verbunden ist;
eine Turbine, die mit einer zweiten Position an der Turbowelle verbunden ist;
eine Rolle, die mit der Turbowelle direkt über eine Traktionsgrenzfläche an einer dritten Position an der Turbowelle gekoppelt ist, wobei die Rolle einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser der Turbowelle an der dritten Position ist, so dass die Drehzahl der Rolle kleiner als die Drehzahl der Turbowelle ist;
eine langsamlaufende Welle, die direkt mit der Rolle verbunden ist;
ein Getriebe, das mit der langsam laufenden Welle und dem Motorsystem gekoppelt ist, um Leistung zwischen dem angetriebenen Turbolader und dem Motorsystem zu übertragen, so dass die langsamlaufende Welle das Getriebe auf einer Drehzahl antreibt, die niedriger als die Drehzahl der Turbowelle ist.

Description

Hintergrund
Angetriebene Turbolader stellen eine Verbesserung gegenüber normalen Turboladern dar, da angetriebene Turbolader (Superturbolader) von mehr als nur der Abgasturbine angetrieben werden, wodurch das Turboloch in aufgeladenen Motoren reduziert wird. Eine Klasse von angetriebenen Turboladern, in der viel Entwicklungsarbeit stattfand, ist der elektrische Turbolader, bei dem ein Elektromotor/Generator an der Turbowelle integriert ist und die Turbowelle schnell auf Drehzahl bringen und zusätzliche Energie von der Turbowelle ziehen kann.
DE 11 2010 005 233 T5 offenbart ein Bespiel eines angetriebenen Superturboladers, der einen hochtourigen Traktionsantrieb mit festgelegtem Verhältnis verwendet und mit einem stufenlosen Getriebe gekoppelt ist, um einen hochtourigen Betrieb zu ermöglichen. Es wird ein hochtouriger Traktionsantrieb verwendet, um eine Untersetzung von der hochtourigen Turbinenwelle bereitzustellen. Ein zweiter Traktionsantrieb stellt unendlich variable Übersetzungsverhältnisse über ein stufenloses Getriebe bereit. Ebenfalls wird eine Gasrückführung in einem Superturbolader offenbart.
Zusammenfassung
Das Problem der Erfindung wird durch einen angetriebenen Turbolader nach Anspruch 1, durch ein Verfahren nach Anspruch 7, und durch einen angetriebenen Turbolader nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Beispiel kann somit einen angetriebenen Turbolader für ein Motorsystem umfassen, umfassend: eine Turbowelle; einen Verdichter, der mit einer ersten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine Turbine, die mit einer zweiten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine Rolle, die mit der Turbowelle über eine Traktionsgrenzfläche an einer dritten Position an der Welle gekoppelt ist, wobei die Rolle einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser der Turbowelle an der dritten Position ist, so dass die Drehzahl der Rolle kleiner als die Drehzahl der Turbowelle ist; eine langsamlaufende Welle, die mit der Rolle verbunden ist; ein Getriebe, das mit der langsamlaufenden Welle und dem Motorsystem gekoppelt ist, um Leistung zwischen dem angetriebenen Turbolader und dem Motorsystem zu übertragen, so dass die langsamlaufende Welle auf einer Drehzahl antreibt und von dem Getriebe angetrieben wird, die niedriger als eine Drehzahl der Turbowelle ist.
Ein Beispiel kann des Weiteren ein Verfahren zum Koppeln eines angetriebenen Turboladers an ein Motorsystem umfassen, umfassend: Erzeugen einer Traktionsgrenzfläche zwischen einer Turbowelle, die mit einer Turbine verbunden ist und einem Verdichter und einer Rolle, deren Rollendurchmesser größer als ein Durchmesser der Turbowelle ist; Verbinden einer langsam laufenden Welle, die mit der Rolle verbunden ist, mit einem Getriebe, das Leistung zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle überträgt.
Ein Beispiel kann des Weiteren einen angetriebenen Turbolader für ein Motorsystem umfassen, umfassend: eine Turbowelle mit einem ersten Durchmesser; einen Verdichter, der mit einer ersten Position der Turbowelle verbunden ist; eine Turbine, die mit einer zweiten Position der Turbowelle verbunden ist; eine erste Rolle mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser der Turbowelle ist, die mit der Turbowelle an einer dritten Position auf einer ersten Seite der Turbowelle koppelt; eine zweite Rolle mit einem dritten Durchmesser, die mit der Turbowelle an der dritten Position auf einer zweiten Seite der Turbowelle koppelt, wobei die zweite Seite im Wesentlichen gegenüber der ersten Seite der Turbowelle liegt; einen ersten Elektromotor/Generator, der mit der ersten Rolle verbunden ist und elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist, so dass Strom zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle übertragen werden kann; einen zweiten Elektromotor/Generator, der mit der zweiten Rolle verbunden ist und elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist, so dass Strom zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle übertragen werden kann.
Figurenliste

1A und 1B sind schematische Darstellungen der Rollen-Traktionsantriebe, die von einem mittleren Abschnitt der Turbowelle angetrieben werden.
2A und 2B sind schematische Darstellungen der Rollen-Traktionsantriebe, die von einem äußeren Teil der Turbowelle angetrieben werden.
2C ist ein Prinzipschaubild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
2D ist ein Prinzipschaubild eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung, das ein Elektromotor-Generator-Getriebe an einem Hybridfahrzeug zeigt.
2E zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Implementieren der Kraftübertragung/Elektromotor/Generator als ein Getriebe.
3A und 3B sind schematische Darstellungen von Rollen-Traktionsantrieben mit einer Laufrolle auf der gegenüberliegenden Seite der Turbowellen von den einzelnen Rollen, um den Normalkräften von dem Traktionsantrieb entgegenzuwirken.
4A und 4B sind schematische Darstellungen von zwei Rollen-Traktionsantrieben auf entgegengesetzten Seiten der Turbowellen, die mit zwei Elektromotoren/Generatoren verbunden sind.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1A ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines mit einem Untersetzungs-Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 100, der ein Motorsystem 116 auflädt. An einem Ende der Turbowelle 102 ist ein Verdichterrad 106 angeordnet und an dem anderen Ende ist eine Turbine 104 befestigt. Der Untersetzungs-Traktionsantrieb 108 steht mit einem Mittelteil der Turbowelle 102 in Eingriff und besteht aus einer Rolle 114, die mit der Turbowelle 102 in Kontakt steht. Die Rolle 114 hat einen größeren Durchmesser als die Turbowelle 102, so dass die Drehzahl der Rolle 114 niedriger als die Drehzahl der Turbowelle 102 ist. Die Rolle 114 wird gegen die Turbowelle 102 gedrückt, um eine Normalkraft gegen die Turbowelle 102 zu erzeugen und ein Drehmoment zwischen der Rolle 114 und der Turbowelle 102 an der Traktionsgrenzfläche 122 zu übertragen. Die Kraft kann über langsamlaufende Wellenlager (nicht dargestellt) oder andere Lager sowie über verschiedene Vorrichtungen übertragen werden, wie in der US 8 561 403 B2 offenbart, eingereicht am 22. Oktober 2013 unter dem Titel „Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission“, die insbesondere hierin durch Bezugnahme mit allem eingeschlossen ist, was darin offengelegt und erläutert wird. Die Grenzfläche 122 zwischen der Turbowelle 102 und der Rolle 114 ist eine Traktionsgrenzfläche. Auf der Traktionsgrenzfläche 122 können Traktionsfluids verwendet werden, um die Reibung und Lebensdauer der Traktionsgrenzfläche 122 zu erhöhen. So kann während des transienten Betriebs des Motorsystems 116 Drehmoment auf die Turbowelle 102 übertragen werden, um die Drehzahl der Turbowelle 102 schnell zu erhöhen und das Turboloch zu verringern, und während des Betriebs des Motorsystems 116 mit hoher Last, wenn die Turbine 104 mehr Leistung erzeugt, als der Verdichter 106 verbraucht, kann Drehmoment von der Turbowelle 102 auf die Rolle 114 übertragen werden. Die Lager 118, 119 bringen die Turbowelle 102 in die in 1A dargestellte Position und absorbieren auf die Turbowelle 102 wirkende Kräfte, wie beispielsweise die Normalkraft von der Rolle 114 oder Schubkräfte von der Turbine 104 und dem Verdichter 106. Die langsamlaufende Welle 110 verbindet die Rolle 114 mit dem Getriebe 112. Das Getriebe 112 verbindet wiederum den mit einem Untersetzungs-Traktionsantrieb angetriebenen Turbolader 100 mit dem Motorsystem 116 über eine elektrische oder mechanische Kupplung 120. Durch die langsamere Drehzahl der langsamlaufenden Welle 110 können traditionelle Elektromotoren, Generatoren oder mechanische Übersetzungen als Getriebe 112 verwendet werden. Bei dem Getriebe 112 kann es sich um ein mechanisch stufenlos verstellbares Getriebe (CVT) oder ein hydraulisches CVT handeln, das mechanisch mit dem Motorsystem 116 gekoppelt ist, um die Drehzahl der Turbowelle 102 in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motorsystems 116 zu steuern. Das Getriebe 112 kann auch ein eigenständiges mechanisches Zahnradgetriebe mit einer oder mehreren Übersetzungen sein, das mechanisch mit dem Motorsystem 116 gekoppelt ist. Eine dritte Option ist, dass das Getriebe 112 ein Elektromotor/Generator ist, der elektrisch mit der Leistungselektronik des Motorsystems 116 verbunden ist, wie in 2D, 2E dargestellt. Verschiedene Konfigurationen des Motorsystems 116 sind in 2C, 2D und 2E dargestellt. Diese Motorsystemkonfigurationen können auch in den Ausführungsbeispielen verwendet werden, die in 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B dargestellt sind. Die Lager 118 und 119 halten die Turbowelle 102 in Position und können auch Axialdrucklager umfassen, die große Axialkräfte absorbieren können.
1B ist eine schematische Darstellung eines mit einem Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 150. Der angetriebene Turbolader 150 ist derselbe wie der angetriebene Turbolader 100 aus 1A mit der Ausnahme, dass der angetriebene Turbolader 150 einen die Schubkraft absorbierenden Traktionsantrieb 152 verwendet. Der die Schubkraft absorbierende Traktionsantrieb 152 hat eine geformte Traktionsgrenzfläche 154, die zum Zentrieren der geformten Wellenoberfläche 158 und der geformten Rollenoberfläche 156 in Reaktion auf laterale Kräfte dient, die entweder auf die Rolle 160 oder auf die Turbowelle 162 wirken, d.h. Kräfte in der horizontalen Richtung, wie in 1B dargestellt. Die geformte Wellenoberfläche 158 und die geformte Rollenoberfläche 156 sind als gebogene Formen dargestellt. Es können jedoch auch verschiedene andere Formen verwendet werden.
2A ist eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels des mit dem Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 200. Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels ist effektiv dieselbe wie in 1A mit der Ausnahme, dass der Untersetzungs-Traktionsantrieb 208 an einem Punkt an der Turbowelle 202 mit der Turbowelle 202 in Eingriff kommt, der außerhalb des Verdichters 206 liegt. Auf diese Weise werden die Teile des mit dem Untersetzungs-Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 200 von der Hitze der Turbine 204 ferngehalten. Die Funktion des angetriebenen Turboladers 200 ist dieselbe. Der Traktionsantrieb 208 besteht aus einer Rolle 214, die in Kontakt mit der Turbowelle 202 eine Traktionsgrenzfläche 222 bildet, die Drehmoment zwischen der Rolle 214 und der Turbowelle 202 überträgt, und führt zu einer Reduktion der Drehzahl der langsamlaufenden Welle 210 von der Turbowelle 202. Die langsamlaufende Welle 210 verbindet die Rolle 214 mit dem Getriebe 212, das seinerseits Leistung von und zu dem Motorsystem 216 überträgt.
Das Getriebe, das in 1A, 1B, 2A und 2B dargestellt ist, kann entweder ein mechanisches Getriebe sein, wie oben offenbart, oder einen kombinierten Motor/Generator umfassen, der Strom erzeugt, wenn die Rolle 214 und die langsamlaufende Welle 210 von der Turbowelle 202 angetrieben werden, oder der als ein Motor dient, um die langsamlaufende Welle 210 und die Rolle anzutreiben und dadurch den Verdichter 206 anzutreiben, so dass er in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Motorsystems Aufladung bereitstellen kann. Dieses Ausführungsbeispiel ist ausführlicher in der US 8 561 403 B2 offen gelegt, eingereicht am zweiten 20. Oktober 2013 mit dem Titel „Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission“, die hierin insbesondere mit allem eingeschlossen ist, was darin offengelegt und erläutert wird.
2B zeigt einen mit einem Traktionsantrieb angetriebenen Turbolader 250, welcher derselbe wie in dem Ausführungsbeispiel aus 2A mit der Ausnahme ist, dass anstelle einer flachen Traktionsgrenzfläche 222 (2A) ein die Schubkraft absorbierender Traktionsantrieb 252 verwendet wird. Mit anderen Worten sind die Turbine 270, der Verdichter 272, das Getriebe 264 und das Motorsystem 266 identisch mit den entsprechenden Vorrichtungen in 2A. Wie in 2B dargestellt, weist der die Schubkraft absorbierende Traktionsantrieb 252 eine geformte Traktionsgrenzfläche 254 auf. Auch hier können verschiedene Formen verwendet werden. Die Turbowelle 262 weist eine geformte Wellenoberfläche 258 auf, die im Wesentlichen mit der geformten Rollenoberfläche 256 der Rolle 260 zusammenpasst.
2C, 2D und 2E zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele, welche die Kombinationen aus dem Getriebe 112 aus 1A, dem Motorsystem 116 aus 1A und ähnliche in den anderen Figuren dargestellte Komponenten verwenden. 2C, 2D und 2E offenbaren alle unterschiedliche Möglichkeiten, die verschiedenen Elemente aus Elektromotor/Generator, Getriebe und Batteriesystem zu kombinieren, die zum Implementieren der Systeme in den anderen hier offenbarten Figuren verwendet werden können.
2C ist ein Prinzipschaubild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Anwendung der Erfindung. Wie in 2C dargestellt, ist die Turbine 274 mit dem Verdichter 275 über eine Turbowelle 276 verbunden. Die Rolle 277 weist eine geformte Traktionsfläche auf, die mit der Turbowelle 276 koppelt. Die Welle 278 ist mit der Rolle 277 verbunden und treibt das Getriebe 279 an bzw. wird davon angetrieben. Das Getriebe 279 ist eine Verbindung zwischen der Welle 278 und der Welle 280. Das Getriebe 279 kann ein stufenlos verstellbares Getriebe (CVP), ein eigenständiges mechanisches Getriebe, ein Hydraulikgetriebe oder ein anderes Getriebe sein. Das Getriebe 279 ermöglicht es, dass sich die Welle 278 und die Welle 280 mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen. Das Getriebe 279 ist mit dem Motorsystem 271 gekoppelt, das aus der Welle 280, dem Koppelelement 282, der Kurbelwelle 284, dem Motor 285 und der Steuerung 209 besteht. Das Motorsystem 271 entspricht den Motorsystemen in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B. Das Getriebe 279 arbeitet in Reaktion auf eine Steuerung 209, welche die Betriebsdaten 281 über die verschiedenen Betriebszustände des Motors überwacht, wie ausführlicher in der US 8 561 403 B2 offengelegt, eingereicht am 22. Oktober 2013 mit dem Titel „Super-turbocharger Having a High Speed Traction Drive and Continuously Variable Transmission“ und der US 8 769 949 B2 , eingereicht am 8. Juli 2014 mit dem Titel „Superturbocharger Control Systems“, die hierin insbesondere mit allem eingeschlossen sind, was darin offen gelegt und erläutert wird. Die Welle 280 treibt das Koppelelement 282 entweder an oder wird davon angetrieben. Das Koppelelement 282 kann eine beliebige Art von mechanischem Koppelelement umfassen, wie beispielsweise eine Kette, einen Riemen, Zahnräder, Traktionsgetriebe etc. Das Koppelelement 282 ist mit der Kurbelwelle 284 des Motors 285 verbunden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise wenn der Motor 285 auf hoher Leistung betrieben wird und überschüssige Leistung von der Turbine 274 vorhanden ist, kann das Getriebe 279 so eingestellt werden, dass der Antrieb der Kurbelwelle 284 des Motors 285 durch die überschüssige Leistung der Turbine 274 unterstützt wird. Bei anderen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise beim Anlassen, wenn der Bedarf nach Beschleunigung besteht, kann der Motor 285 die Kurbelwelle 284 antreiben, so dass diese die Turbowelle 276 und den Verdichter 275 antreibt und das in 2C dargestellte System als ein Lader arbeitet. Dies geschieht wiederum durch Einstellen des Getriebes 279 unter Verwendung der Steuerung 209. Die Funktionsweise der Steuerung ist in der US 8 769 949 B2 offenbart, eingereicht am 8. Juli 2014 mit dem Titel „Superturbocharger Control Systems“, die insbesondere hierin durch Bezugnahme mit allem eingeschlossen ist, was darin offengelegt und erläutert wird.
2D zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem die Welle 287 den Motor/Generator 286 in einem Hybridfahrzeug antreibt bzw. davon angetrieben wird. Der Motor/Generator 286 ist elektrisch mit der Leistungselektronik 288 verbunden. Der Motor/Generator 286 ist ein Ausführungsbeispiel eines Getriebes, wie in 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B beschrieben, und ist mit dem Motorsystem 290 verbunden, das aus dem Motor 291, der Kurbelwelle 255, dem Hybridgetriebe 293, Leistungselektronik 288 und der Batteriepackung 289 besteht. Das Motorsystem 290 entspricht den Motorsystemen in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B. Wenn der Motor/Generator 286 als Generator arbeitet, treiben die Turbine 203, die Rolle 201 und die Welle 287 den Generatorteil des Motor/Generators 286 an, um Strom zu erzeugen, der zu der Leistungselektronik 288 geleitet wird. Der Strom von dem Motor/Generator 286 wird dann zu der Batteriepackung 289 geleitet, um die Batteriepackung 283 aufzuladen oder zu dem Hybridgetriebe 293, um die Räder 295 anzutreiben, wie von dem Steuerungssignal 253 vorgegeben. Wenn der Motor 291 mit einer hohen Ausgangsleistung arbeitet, kann die überschüssige Energie von der Turbine 203 über die Traktionsgrenzfläche 205 von der Turbine 203 auf die Rolle 201 und die Welle 287 übertragen werden. Das Steuersignal 253 steuert die Leistungselektronik 288 so, dass der Strom von dem Motor/Generator 286 zum Aufladen der Batteriepackung 289 oder zur Leistungsversorgung des Hybridgetriebes 293 verwendet wird.
Das in 2D dargestellte System kann auch als ein Lader dienen. Der Motorteil des Motors/Generators 286 kann über die Leistungselektronik 288 in Reaktion auf das Steuersignal 253 von der Batteriepackung 289 betrieben werden, um die Welle 287, die Rolle 201 und den Verdichter 207 anzutreiben und die Aufladung zu erzeugen. Dies kann der Fall sein, wenn ein Bedarf nach hoher Leistung besteht und nur eine geringe Menge an Abgas zum Antreiben der Turbine 203 erzeugt wird, was während anfänglichen Beschleunigungsbedingungen geschieht.
2E ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Motor/Generator 239 als ein Getriebe dient, wie in 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B, und ist mit dem Motorsystem 230 verbunden, das aus dem Motor 249, der Kurbelwelle 257, dem Koppelelement 247, der Welle 251, dem Motor/Generator 245, der Leistungselektronik 241 und der Batteriepackung 243 besteht. Das Motorsystem 230 entspricht den Motorsystemen in den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B. Wie in 2E dargestellt, arbeitet die Turbine 229 in Reaktion auf Abgase von dem Motor 249. Die Turbine 229 dreht den Verdichter 233 und die Rolle 235 über die Trakionsgrenzfläche 231. Die Rolle 235 dreht die Welle 237. Die mechanische Rotationsenergie an der Welle 237 betätigt den Generatorteil des Motors/Generators 239. Der Generatorteil des Motors/Generators 239 erzeugt elektrische Energie, die zu der Leistungselektronik 241 geleitet wird. Die elektrische Energie wird vollständig oder zum Teil in der Batteriepackung 243 gespeichert. Die elektrische Energie von dem Generatorteil des Motors/Generators 239 kann durch Anwenden der elektrischen Energie von der Leistungselektronik 241 auch den Motorteil des Motors/Generators antreiben. Außerdem kann die Batteriepackung 243 elektrische Energie bereitstellen, um die elektrische Energie von dem Generatorteil des Motors/Generators 239 zu ergänzen oder zu ersetzen und den Motorteil des Motors/Generators 245 anzutreiben. Der Motorteil des Motors/Generators 245 dreht die Welle 251. Das Koppelelement 247 überträgt die mechanische Rotationsenergie von der Welle 251 auf die Kurbelwelle 257 des Motors 249, um die Drehung der Kurbelwelle 257 zu unterstützen.
Das System aus 2E kann auch im Lademodus betrieben werden. In diesem Fall erzeugt der Motor 249 mechanische Rotationsenergie an der Kurbelwelle 257, die an das Koppelelement 247 übertragen wird. Das Koppelelement 247 kann eine beliebige Art von Koppelelement oder Getriebe umfassen, um die mechanische Rotationsenergie zwischen der Welle 251 und der Kurbelwelle 257 zu übertragen. Die Welle 251 betätigt den Generatorteil des Motors/Generators 245, der elektrische Energie erzeugt, die zu der Leistungselektronik 241 geleitet wird. Die elektrische Energie von der Batteriepackung 243 kann ebenfalls zu der Leistungselektronik 241 geleitet und dazu verwendet werden, die von dem Generatorteil des Motors/Generators 245 durch die mechanische Rotationsenergie erzeugte elektrische Energie, welche von dem Motor 249 produziert wird, zu unterstützen. Die Leistungselektronik 241 nutzt die von dem Motor/Generator 245 und/oder der Batteriepackung 342 erzeugte elektrische Energie, um den Motorteil des Motors/Generators 239 zu betreiben. Der Motorteil des Motors/Generators 239 dreht die Welle 237 und die Rolle 235. Der Verdichter 233 wird von der mechanischen Rotationsenergie der Rolle 235 gedreht, die durch die Traktionsgrenzfläche 231 übertragen wird. So fungiert das System aus 2E als kombinierter Turbolader und Lader, was häufig als angetriebener Turbolader bezeichnet wird.
Wie ebenfalls in 2E dargestellt, kann von dem Generatorteil des Motors/Generators 245 ein mechanischer Widerstand durch Aktivieren der Felder des Generatorteils erzeugt werden, um einen Widerstand in der Welle 251 zu erzeugen, den Motor 249 zu verlangsamen und ein Abbremsen zu erzielen. In diesem Fall erzeugt der Generator elektrische Energie, die zu der Leistungselektronik 241 geleitet wird und dazu dient, die Batteriepackung 243 aufzuladen. So kann durch das System eine regenerative Bremsung des Fahrzeugs erzielt werden.
Entsprechend zeigen 2C, 2D und 2E die verschiedenen Ausführungsbeispiele, die in 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B verwendet werden können.
3A ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines mit dem Untersetzungs-Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 300. Wie in 3A dargestellt, kommt eine Laufrolle 320 mit der Turbowelle 302 an einer Position in Eingriff, die im Wesentlichen gegenüber der Rolle 314 liegt. Damit die Traktionsgrenzfläche 308 ein Drehmoment übertragen kann, muss im Wesentlichen eine Normalkraft zwischen der Rolle 314 und der Turbowelle 302 vorhanden sein. Der Einsatz der Laufrolle 320 trägt dazu bei, der Normalkraft entgegenzuwirken, welche gegen die Turbowelle 302 drückt, da die Laufrolle 320 im Wesentlichen gegenüber der Rolle 314 angeordnet ist und eine gleiche, jedoch entgegengesetzte reaktive Normalkraft auf die Turbowelle 302 ausüben kann. Durch die Verwendung der Laufrolle 320, wie in 3A dargestellt, wirkt eine geringere Kraft auf die Lager 318, 319, welche die Turbowelle 302 stabilisieren und positionieren, da die Nettokraft auf die Turbowelle 302 von der Rolle 314 und der Laufrolle 320 nahezu Null ist.
3B ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines mit dem Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 350. Wie in 3B dargestellt, verbindet die Turbowelle 352 die Turbine 354 mit dem Verdichter 356. Ein die Schubkraft absorbierender Traktionsantrieb 358 bietet eine geformte Traktionsgrenzfläche 372 zwischen der Rolle 364 und der Turbowelle 352, welche die Turbowelle 352 axial positioniert. Somit müssen die Lager 318, 319 die Turbowelle 352 nicht axial lagern. Die geformte Traktionsgrenzfläche 352 beinhaltet eine geformte Rollenoberfläche 380, die mit der geformten Wellenoberfläche 374 in Eingriff kommt. Außerdem kommt die geformte Wellenoberfläche 374 mit der geformten Laufrollenoberfläche 378 in Eingriff. Auch hier ist zwar in 3B eine gewölbte Form dargestellt, doch können verschiedene Formen verwendet werden. Die Laufrolle 370 wirkt den Kräften entgegen, die normal zu der Turbowelle 352 wirken und von der Rolle 364 erzeugt werden, so dass die Lager 318, 319 die Turbowelle nicht in einer Richtung lagern müssen, die normal zu der Drehachse der Turbowelle 352 ist. Durch den Einsatz der Laufrolle 370 und die geformte Traktionsgrenzfläche 372 ist die Gesamtkraft, die auf die Turbowelle 352 wirkt, nahezu Null, so dass die Konstruktionsanforderungen an die Lager 318 und 319 nicht so hoch sind. Um die Rolle 364 gegen die Turbowelle 352 zu pressen und die geformte Traktionsgrenzfläche 372 zu erzeugen, kann jede beliebige Art und Weise eingesetzt werden, die dazu in der Lage ist, das Drehmoment zu übertragen. So können die verschiedenen Verfahren, die in der US 8 561 403 B2 offenbart sind, eingereicht am 22. Oktober 2013 unter dem Titel „Super-Turbocharger Having a High Speed Traction Drive and a Continuously Variable Transmission“, zum Erhöhen des Drehmoments und zum Variieren des Drehmoments entsprechend der Last eingesetzt werden. Die US 8 561 403 B2 ist hierin insbesondere durch Bezugnahme mit allem eingeschlossen, was darin offen gelegt und erläutert wird. Entsprechend gilt dies auch für alle darin offenbarten Ausführungsbeispiele. Die Rolle 364 ist mit dem Getriebe 362 verbunden, das wiederum mit dem Motorsystem 366 gekoppelt sein kann.
4A ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines mit einem Traktionsantrieb angetriebenen Turboladers 400, der zwei Elektromotoren/Generatoren 412, 413 verwendet. In wirksamer Weise weist dieses Ausführungsbeispiel zwei identische Traktionsgrenzflächen 408, 409 an gegenüberliegenden Seiten der Turbowelle 402 auf. Die gegenüberliegenden Rollen 414, 415 gleichen die Radialkräfte an der Turbowelle 402 aus, die durch die Normalkräfte entstehen, die zum Übertragen des Drehmoments über die Traktionsgrenzflächen 408, 409 erforderlich sind. Dies verringert den Bedarf, die Turbowelle 402 in einer Richtung normal zu der Drehachse der Turbowelle 402 zu positionieren. Jede Rolle 414, 415 ist mit einer langsamlaufenden Welle 410, 411 verbunden, die wiederum mit den Elektromotoren/Generatoren 412, 413 verbunden ist. Das Unterbringen von zwei mechanischen Getrieben auf den gegenüberliegenden Seiten der Turbowelle 402 wäre schwierig, so dass der Einsatz von Elektromotoren/Generatoren 412, 413 bevorzugt wird. Die Elektromotoren/Generatoren 412, 413 sind jeweils elektrisch mit dem Motorsystem 416 verbunden und werden gemeinsam gesteuert, um die gleiche Menge an Energie an und von dem Motorsystem 416 zu übertragen und die Leistung durch den mit einem Traktionsantrieb angetriebenen Turbolader 400 ausgeglichen zu halten. Die Elektromotoren/Generatoren 412, 413 sind mit der Leistungselektronik des Motorsystems 416 verbunden, welche den Strom von und zu den Elektromotoren/Generatoren 412, 413 steuert und die ihrerseits mit einem Batteriesystem oder einem anderen Motor/Generator verbunden sein kann, der an dem Motor des Motorsystems 416 angebracht ist, wie beispielsweise in 2D und 2E dargestellt.
4B ist eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines angetriebenen Turboladers 450. Das Ausführungsbeispiel aus 4B ist dasselbe wie das Ausführungsbeispiel aus 4A mit der Ausnahme, dass ein die Schubkraft absorbierender Traktionsantrieb 452 verwendet wird. Wie in 4B dargestellt, sind zwei Rollen 456, 458 vorhanden, welche die geformte Traktionsgrenzfläche 454 bzw. die geformte Traktionsgrenzfläche 455 bilden. Diese geformten Traktionsgrenzflächen 454, 455 werden gemeinsam als der die Schubkraft absorbierende Traktionsantrieb 452 bezeichnet. Die Turbowelle 451 verbindet die Turbine 468 mit dem Verdichter 470. Die Turbowelle 451 weist eine geformte Wellenoberfläche 464 auf, die mit der geformten Rollenoberfläche 460 der Rolle 456 und der geformten Rollenoberfläche 462 der Rolle 458 in Eingriff kommt. Die Rollen 456, 458 werden nach innen in Richtung der Turbowelle 451 gepresst, um den die Schubkraft absorbierenden Traktionsantrieb 452 zu bilden. Die Kräfte auf die Rollen 456, 458 stabilisieren sich selbst so, dass die Turbowelle 451 in einer zentrierten Position zwischen den Rollen 456, 458 bleibt. Die Rolle 456 treibt den Elektromotor/Generator 472 an. Die Rolle 458 treibt den Elektromotor/Generator 474 an. Die Elektromotoren/Generatoren 472, 474 sind mit dem Motorsystem 476 gekoppelt.
Folglich bieten die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung einen Traktionsantrieb, einen Wandler für Übersetzungen ins Langsame, von der Turbowelle zu einer langsamer laufenden Welle, die dann mit einem konventionelleren Elektromotor/Generator oder einem mechanischen Getriebe verbunden sein kann. Eine Grundversion dieses Traktionsantriebs ist eine Rolle mit einem größeren Durchmesser als die Turbowelle, die mit der Turbowelle in Eingriff kommt, um den Reduktions-Traktionsantrieb zu bilden. Die Rolle wird mit einer ausreichenden Normalkraft gegen die Turbowelle gepresst, um ohne übermäßigen Schlupf Drehmoment von und auf die Turbowelle zu übertragen. Außerdem kann Traktionsfluid eingesetzt werden, um den Reibungskoeffizienten zu erhöhen, so dass mehr Drehmoment übertragen werden kann, So kann während der transienten Beschleunigung Drehmoment auf die Turbowelle übertragen werden, um das Turboloch zu verringern, und während des Betriebs mit hoher Last, wenn eine Turbinenleistung vorliegt, die den Bedarf zum Antreiben des Verdichters übersteigt, kann Drehmoment von der Turbowelle übertragen werden. Diese überschüssige Leistung kann dann als zusammengesetzte Leistung auf das Motorsystem übertragen werden und so die Leistung und Effizienz des Motorsystems steigern.
Mit dem Untersetzungs-Traktionsantrieb können hohe Turbowellendrehzahlen von 100.000 bis 200.000 auf Drehzahlen in dem Bereich von 10.000 bis 20.000 an der langsamlaufenden Welle mit einem Untersetzungsverhältnis von 10:1 reduziert werden. Eine Turbowelle mit einem Durchmesser von 10 mm würde zum Beispiel einen Rollendurchmesser von 100 mm erfordern, um dieses Verhältnis von 10:1 zu erreichen. Je nach Platz- und Leistungsanforderungen können auch andere Untersetzungsverhältnisse verwendet werden. Die langsameren Geschwindigkeiten nach der Untersetzung sind für traditionellere Elektromotoren geeignet und die Elektromotoren/Generatoren können in eine bessere Betriebsumgebung mit Abstand zu der heißen Turbine und dem Verdichter an der Turbowelle versetzt werden. Entsprechend sind die langsameren Drehzahlen für mechanische Getriebe einschließlich CVT-Getriebe sowie eigenständige Zahnradgetriebe geeignet. Der Elektromotor/Generator oder das mechanische Getriebe ist dann an das Motorsystem gekoppelt und überträgt Leistung zwischen dem Motorsystem und dem angetriebenen Turbolader.
Die vorangehende Beschreibung der Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll jedoch keineswegs erschöpfend wirken oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränken, so dass auch weitere Modifikationen und Variationen im Hinblick auf die obigen Lehren möglich sind. Das Ausführungsbeispiel wurde ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern und es damit anderen Fachleuten zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen und verschiedenen Modifikationen einzusetzen, wie sie für die jeweilige beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Die angehängten Ansprüche sollen damit auch weitere alternative Ausführungen der Erfindung umfassen, sofern nicht durch den Stand der Technik beschränkt.

Claims

Angetriebener Turbolader für ein Motorsystem, umfassend: eine Turbowelle; einen Verdichter, der mit einer ersten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine Turbine, die mit einer zweiten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine Rolle, die mit der Turbowelle direkt über eine Traktionsgrenzfläche an einer dritten Position an der Turbowelle gekoppelt ist, wobei die Rolle einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser der Turbowelle an der dritten Position ist, so dass die Drehzahl der Rolle kleiner als die Drehzahl der Turbowelle ist; eine langsamlaufende Welle, die direkt mit der Rolle verbunden ist; ein Getriebe, das mit der langsam laufenden Welle und dem Motorsystem gekoppelt ist, um Leistung zwischen dem angetriebenen Turbolader und dem Motorsystem zu übertragen, so dass die langsamlaufende Welle das Getriebe auf einer Drehzahl antreibt, die niedriger als die Drehzahl der Turbowelle ist.
Angetriebener Turbolader nach Anspruch 1, wobei das Getriebe ein Elektromotor/Generator ist, der elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist.
Angetriebener Turbolader nach Anspruch 1, wobei das Getriebe ein mechanisches Getriebe ist, das mechanisch mit dem Motorsystem verbunden ist.
Angetriebener Turbolader nach Anspruch 3, wobei das mechanische Getriebe ein stufenlos verstellbares Getriebe ist.
Angetriebener Turbolader nach Anspruch 1, wobei eine Laufrolle an einer Seite der Turbowelle gegenüber der Rolle angeordnet ist, um Normalkräfte auf die Turbowelle von dem Untersetzungs-Traktionsantrieb auszugleichen.
Angetriebener Turbolader nach Anspruch 1, wobei eine geformte Traktionsgrenzfläche zwischen der Rolle und der Turbowelle vorhanden ist, welche die Turbowelle axial positioniert.
Verfahren zum Koppeln eines angetriebenen Turboladers mit einem Motorsystem, umfassend: Erzeugen einer Traktionsgrenzfläche zwischen einer Turbowelle, die mit einer Turbine und einem Verdichter verbunden ist, und einer Rolle, deren Rollendurchmesser größer als ein Durchmesser der Turbowelle ist; Verbinden der Rolle direkt mit einer langsamlaufenden Welle; Verbinden der langsamlaufenden Welle mit einem Getriebe, das Leistung zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle überträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Getriebe einen Elektromotor/Generator umfasst, der elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Getriebe ein mechanisches Getriebe ist, das mechanisch mit dem Motorsystem verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das mechanische Getriebe ein stufenlos verstellbares Getriebe ist.
Verfahren nach Anspruch 7, des Weiteren umfassend: eine Laufrolle, die an einer Seite der Turbowelle gegenüber der Rolle angeordnet ist, um Normalkräfte auf die Turbowelle von dem Untersetzungs-Traktionsantrieb auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 7, des Weiteren umfassend: eine geformte Traktionsgrenzfläche zwischen der Rolle und der Turbowelle, welche die Turbowelle axial positioniert.
Angetriebener Turbolader für ein Motorsystem, umfassend: eine Turbowelle mit einem ersten Durchmesser; einen Verdichter, der mit einer ersten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine Turbine, die mit einer zweiten Position an der Turbowelle verbunden ist; eine erste Rolle mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser der Turbowelle ist, die mit der Turbowelle an einer dritten Position auf einer ersten Seite der Turbowelle in direktem Eingriff steht um eine erste Traktionsgrenzfläche zwischen der ersten Rolle und der Turbowelle zu bilden; eine zweite Rolle mit einem dritten Durchmesser, die mit der Turbowelle an der dritten Position auf einer zweiten Seite der Turbowelle in direktem Eingriff steht, wobei die zweite Seite im Wesentlichen gegenüber der ersten Seite der Turbowelle liegt, um eine zweite Traktionsgrenzfläche zwischen der zweiten Rolle und der Turbowelle zu bilden; einen ersten Elektromotor/Generator, der mit der ersten Rolle direkt verbunden und elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist, so dass Leistung zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle übertragen werden kann; einen zweiten Elektromotor/Generator, der mit der zweiten Rolle direkt verbunden und elektrisch mit dem Motorsystem verbunden ist, so dass Leistung zwischen dem Motorsystem und der Turbowelle übertragen werden kann.