DE112014004868T5 - Axialkompressor mit magnetischem Schritt- oder Servomotor - Google Patents

Axialkompressor mit magnetischem Schritt- oder Servomotor Download PDF

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Abstract

Ein Axialkompressor (30) ist stromaufwärts eines Kompressorrads (16) angeordnet und kann in dem Einlassrohr (32) eines Kompressorgehäuses (26) eines Turboladers (10) montiert sein. Der Axialkompressor (30) kann das Druckverhältnis um ungefähr 1,3 erhöhen. Der Axialkompressor (30) kann durch einen Motor (40), wie etwa einen magnetischen Schrittmotor, Servomotor oder Käfigläufermotor angetrieben werden. Der Axialkompressor kann ein Gebläse (34) aufweisen, wobei die Verstärkung durch die Drehzahl des Gebläses (34) gesteuert werden kann, die in Abhängigkeit von den Verwendungsbedingungen beschleunigt oder verlangsamt werden kann. Ein magnetischer Schrittmotor (40) kann das Gebläse (34) antreiben, mit einem Gebläserad (36) mit Magneten (44), die erregbaren Spulen (42) zugeordnet sind, die ein drehendes Magnetfeld erzeugen, dem die Magnete (44) folgen können.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/894,955, die am 24. Oktober 2013 eingereicht wurde und den Titel ”Axialkompressor mit magnetischem Schritt- oder Servomotor” trägt.
  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet der Offenbarung
  • Diese Offenbarung betrifft einen Turbolader mit einem Axialkompressor, der von einem Motor angetrieben wird. Insbesondere betrifft diese Offenbarung einen Axialkompressor, um das Druckverhältnis stromaufwärts des Kompressorrades des Turboladers zu erhöhen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die Vorteile der Turboaufladung umfassen erhöhte Leistungsabgabe, niedrigeren Kraftstoffverbrauch, sowie verringerte Schadstoffemissionen und verbesserte Ansprache bei Transienten. Die Turboaufladung von Motoren wird nicht mehr nur vom Gesichtspunkt der höheren Leistung her betrachtet, sondern als Mittel zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Umweltverschmutzung durch niedrigere Kohlendioxidemissionen (CO2) gesehen. Derzeit besteht ein Hauptgrund für die Turboaufladung darin, Abgasenergie zu verwenden, um den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verringern. In Motoren mit Turboaufladung wird die Verbrennungsluft vorverdichtet, bevor sie dem Motor zugeführt wird. Der Motor saugt dasselbe Volumen von Luft-Kraftstoff-Gemisch an wie ein normaler Saugmotor, aber auf Grund des höheren Drucks und damit der höheren Dichte wird eine größere Masse an Luft und Kraftstoff auf gesteuerte Weise in eine Verbrennungskammer zugeführt. In der Folge kann mehr Kraftstoff verbrannt werden, so dass die Leistungsabgabe des Motors relativ zur Drehzahl und zum Hubraum zunimmt.
  • Bei der Abgasturboaufladung wird ein Teil der Abgasenergie, die normalerweise verloren gehen würde, dazu verwendet, eine Turbine anzutreiben. Die Turbine umfasst ein Turbinenrad, das an einer Welle montiert ist und durch den Abgasstrom drehbar angetrieben wird. Der Turbolader führt einen Teil dieser normalerweise verlorenen Abgasenergie in den Motor zurück, was zur Motoreffizienz beiträgt und Kraftstoff spart. Ein Kompressor, der durch die Turbine angetrieben wird, saugt gefilterte Umgebungsluft an, verdichtet sie und liefert sie an den Motor. Der Kompressor umfasst ein Kompressorrad, das an derselben Welle montiert ist, so dass die Drehung des Turbinenrads auch die Drehung des Kompressorrads verursacht.
  • Turbolader umfassen typischerweise ein Turbinengehäuse, das mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist, ein Kompressorgehäuse, das mit der Einlasssammelleitung des Motors verbunden ist, und ein zentrales Lagergehäuse, das das Turbinen- und das Kompressorgehäuse miteinander koppelt. Das Turbinengehäuse definiert eine Spirale, die das Turbinenrad umgibt und Abgas von dem Motor erhält. Das Turbinenrad in dem Turbinengehäuse wird drehbar von einem gesteuert eingehenden Abgasstrom angetrieben, der von der Abgassammelleitung zugeführt wird.
  • Diese Offenbarung konzentriert sich auf den Luftstrom in der Kompressorstufe, das Druckverhältnis in Bezug auf das Kompressorrad und die Steuerung der Verstärkung.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese Offenbarung betrifft die Platzierung eines Axialkompressors in Reihe mit dem Kompressorabschnitt eines Abgasturboladers. Wird er in dem Lufteinlass des Kompressorgehäuses platziert, kann der Axialkompressor das Druckverhältnis stromaufwärts des Kompressorrads erhöhen; er kann das Druckverhältnis zum Beispiel etwa um ungefähr 1,3 erhöhen. Das Kompressorrad verdichtet dann die anfänglich verdichtete Luft noch weiter, wodurch das Kompressorrad verdichtete Luft mit einem höheren Druck als normal bereitstellt, z. B. höher als bei einem Turbolader ohne den Axialkompressor. Somit kann die kombinierte Erhöhung des Drucks in dem System mit dem Turboladerkompressor mit einem hinzugefügten Axialkompressor den Gesamtdruck erhöhen, und somit wird Luft mit höherer Dichte in die Verbrennungskammer eines Motors geliefert, da mehr Luft geliefert wird. Das durch das System bereitgestellte Ausmaß an Verstärkung wird direkt durch die Gebläsedrehzahl gesteuert, wobei die maximale Verstärkung verfügbar ist, wenn der Motor und der Turbolader beschleunigen. In Fällen eines möglichen Abwürgens kann die Gebläserichtung umgekehrt werden, was zu einem niedrigeren Druckverhältnis führt.
  • Ein Axialkompressor kann einfach in dem Einlassrohr des Turboladerkompressorgehäuses oder dem Rohr, das den Kompressorgehäuseeinlass mit dem Lufteinleitsystem eines Motors verbindet, fixiert werden, und kann einem Gebläserad zugeordnet oder in dieses integriert sein. Zur Betätigung des Axialkompressors ist nur ein Minimum an Trägheit erforderlich. Es besteht keine Notwendigkeit einer Welle oder von Schmiermittel für einen solchen Axialkompressor. Somit können der steuerbare Schub und das erhöhte Druckverhältnis die Effizienz und den Betrieb der Kompressorstufe maximieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden deutlich werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlich gemacht wird. In diesen zeigen:
  • 1 ist eine Querschnittansicht eines Turboladers und zeigt die Position eines Axialkompressors;
  • 2 ist ein Ausschnitt eines Axialkompressors, teilweise im Querschnitt; und
  • 3 zeigt ein Beispiel für erregbare Spulen und Magnete, die ein drehendes Gebläse erzeugen können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst der Turbolader 10 einen Turbinenabschnitt 12, einen Kompressorabschnitt 14 sowie ein Zentrallagergehäuse 22, das zwischen den Kompressorabschnitt 14 und den Turbinenabschnitt 12 eingebracht ist und diese miteinander verbindet. Der Turbinenabschnitt 12 umfasst ein Turbinengehäuse 28, das einen Abgaseinlass (nicht gezeigt), einen Abgasauslass 24 und eine Turbinenspirale 29 definiert, die in dem Fluidverlauf zwischen dem Abgaseinlass und dem Abgasauslass 24 angeordnet ist. Ein Turbinenrad 20 ist in dem Turbinengehäuse 28 zwischen der Turbinenspirale 29 und dem Abgasauslass 24 angeordnet. Eine Welle 18 ist mit dem Turbinenrad 20 verbunden, wird drehbar innerhalb des Lagergehäuses 22 gehalten und erstreckt sich in den Kompressorabschnitt 14 hinein. Der Kompressorabschnitt 14 umfasst ein Kompressorgehäuse 26, das einen Lufteinlass 32, einen Luftauslass (nicht gezeigt) und eine Kompressorspirale 27 definiert. Der Kompressorlufteinlass 32 ist ein hohles, zylindrisches Element, das sich koaxial mit der Drehachse R der Welle 18 erstreckt. Ein Radialstrom-Kompressorrad 16 ist in dem Kompressorgehäuse 26 zwischen dem Lufteinlass 32 und der Kompressorspirale 27 angeordnet. Das Kompressorrad 16 ist mit der Welle 18 verbunden und wird durch diese angetrieben.
  • Im Betrieb wird das Turbinenrad 20 drehbar durch einen eingehenden Abgasstrom von der Abgassammelleitung eines Motors angetrieben. Da die Antriebswelle 18 das Turbinenrad 20 mit dem Kompressorrad 16 verbindet, verursacht die Drehung des Turbinenrads 20 die Drehung des Kompressorrads 16. Während sich das Kompressorrad 16 dreht, erhöht es die Rate des Luftmassendurchsatzes, die Luftdichte und den Luftdruck, die an die Motorzylinder durch einen ausgehenden Luftstrom von einem Kompressorluftauslass geliefert werden, der mit der Abgassammelleitung des Motors verbunden ist.
  • Nun auch auf 2 Bezug nehmend, ist der Turbolader 10 mit einem Axialkompressor 30 versehen, der in dem Einlassrohr 32 des Kompressorgehäuses 26 angeordnet ist. Der Axialkompressor 30 ist ein Kompressor, in dem das Gas oder Arbeitsfluid hauptsächlich parallel zu der Drehachse strömt. Solche Kompressoren erzeugen einen kontinuierlichen Fluss von verdichtetem Gas, und bieten die Vorteile einer hohen Effizienz und einer großen Massendurchsatzrate, insbesondere im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Querschnitt. In der illustrierten Ausführungsform ist der Axialkompressor 30 ein Gebläse 34 mit einem Axialstrom-Gebläserad 36. Der Axialkompressor 30 kann durch Rollelementlager 38 an dem Randgebiet des Axialkompressors 30 gelagert sein. Das Gebläserad 36 kann so angetrieben werden, dass es rasch in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen beschleunigt oder verlangsamt. Ein Motorsteuergerät kann die Beschleunigung oder Verlangsamung steuern, um das Kompressorkennfeld des Turboladers 10 zu optimieren.
  • Der Axialkompressor 30 besteht idealerweise aus Kunststoff. Kunststoff kann zur gewünschten Gestalt geformt werden. Solche Polymere sind leicht, haltbar und flexibel, während sie keine Schmierung benötigen. Andere vorteilhafte Eigenschaften umfassen, dass Axialkompressoren 30 aus Kunststoff kostengünstig sind und langsam verschleißen.
  • Auf Grund seiner Position in dem Kompressoreinlassrohr 32 erhöht der Axialkompressor 30 das Druckverhältnis stromaufwärts des Kompressorrads 16 in dem Kompressorgehäuse 26. Der Turbolader 10 und seine Komponenten erfordern keine wesentlichen Änderungen, um einen Axialkompressor 30 hinzuzufügen; jedoch ist typischerweise ein längeres Einlassrohr 32 ohne Verengungen erwünscht. Andere gleichwertige Rohre umfassen ein Rohr, das den Kompressorgehäuseeinlass mit dem Lufteinlasssystem eines Motors verbindet.
  • Der Axialkompressor 30 kann das Druckverhältnis stromaufwärts des Kompressorrads 16 erhöhen. Als Beispiel kann der Axialkompressor 30 das Druckverhältnis um ungefähr 1,3 in Bezug auf das Kompressorrad 16 erhöhen. Nach der Verdichtung der Luft in dem Axialkompressor 30 verdichtet das Kompressorrad 16 dann die anfänglich verdichtete Luft noch weiter. Als Ergebnis ist das Druckverhältnis der Luft, die den Kompressor 14 verlässt, relativ zu Luft, die einen Kompressor ohne den Axialkompressor 30 verlässt, erhöht. Somit kann die kombinierte Erhöhung des Drucks mit einem hinzugefügten Axialkompressor 30 den Druck erhöhen, und somit Luft mit höherer Dichte bereitstellen, da mehr Luft in eine Verbrennungskammer eines Motors zugeführt wird.
  • Der Axialkompressor 30 kann durch verschiedene Motoren 40 angetrieben werden, wie etwa alle Typen von Schrittmotoren, einen AC-Servomotor, einen DC-Servomotor, andere Arten von DC-Motoren, einen AC-Induktionsmotor oder beliebige andere Typen von Motoren. 3 veranschaulicht einen magnetischen Schrittmotor mit erregbaren Spulen (42), die dazu ausgebildet sind, ein drehendes Magnetfeld bereitzustellen. Der magnetische Schrittmotor ist dazu ausgebildet, das Gebläse (34) durch Zusammenwirkung der Magnete (44) mit den erregbaren Spulen (42) anzutreiben. Zum Beispiel dreht sich der magnetische Schrittmotor 40 in kurzen, gleichmäßigen Bewegungen, zum Beispiel mit einer Schrittweite von 60 Grad (die Schrittweite kann jedoch auch 30, 45 oder 90 Grad sein). Die Drehzahlen können als ein Beispiel in dem Bereich von Null bis 70.000 U/min in der Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn betragen. Wie in 3 dargestellt, können die Spulen 42 ihrerseits erregt werden, um ein drehendes Magnetfeld zu erzeugen. Die Magnete 44 in dem Gebläserad 36 folgen dem drehenden Feld. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Magnete 44 in das distale Ende jeweiliger Radspeichen eingebaut und weisen abwechselnde Polaritäten auf. Zusätzliche Schaufeln des Gebläserads 36 können sich zwischen Radspeichen mit Magneten 44 befinden. Zum Zweck der Veranschaulichung ist in 3 ein Zentrallager 46 dargestellt.
  • Die Drehzahl wird durch die Geschwindigkeit gesteuert, mit der die Spulen 42 ein- und ausgeschaltet werden. Die Richtung wird durch die Reihenfolge gesteuert, in der die Spulen 42 erregt werden.
  • Die Gebläserad-Drehzahl steuert direkt das Ausmaß der Verstärkung, die von dem Turbolader 10 bereitgestellt wird. Die Gebläsedrehzahl kann durch ein Schrittmotor-Steuergerät gesteuert werden, um die optimale Verstärkung zu erzielen.
  • Ein Beispiel umfasst die maximale Verstärkung, die notwendig ist, wenn ein Fahrzeug bergauf fährt, und der Axialkompressor 30 mit der maximalen Drehzahl laufen würde. Beim Bergabfahren in einem möglichen Abwürgzustand kann das Gebläse 34 umgekehrt werden, was zu einem verringerten Druck von weniger als 1,0 führen kann.
  • In einem Zustand vor dem Start ist der Motor ruhend, und der Turbolader 10 zusammen mit dem Axialkompressor 30 ruht ebenfalls. Beim Motorstart oder im Leerlauf treibt eine Batterie den Axialkompressor 30 mit niedriger Drehzahl, während der Turbolader 10 mit niedriger Drehzahl angetrieben wird. Während der Motor beschleunigt, kann der Axialkompressor 30 angetrieben werden, um die Verstärkung zu maximieren, während der Turbolader 10 durch mehr Abgas beschleunigt wird. Wird der Motor langsamer, wird der Antrieb des Axialkompressors 30 abgestellt, die Motordrehzahl nimmt ab, und die Turboladerdrehzahl nimmt durch weniger Abgas ab. Somit kann der Axialkompressor 30 auf der Grundlage der Fahr- und Motorbedingungen rasch beschleunigt oder verlangsamt werden.
  • Der Axialkompressor 30 kann auch durch einen AC-Motor in Verbindung mit einem Wandler angetrieben werden. Ein Käfigläufermotor kann mit dem Wandler zur Steuerung des Gebläses 34 verwendet werden. Während diese Option kostengünstiger sein kann, weist dieser Motor eine schlechtere Ansprache auf als ein magnetischer Schrittmotor oder ein Servomotor.
  • Die Erfindung wurde rein zur Veranschaulichung beschrieben; dabei sollte klar sein, dass die verwendete Terminologie rein deskriptiv und keinesfalls einschränkend gemeint ist. Im Licht der oben angeführten Lehren sind verschiedene Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Daher sollte klar sein, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche auf andere Weise praktisch umgesetzt werden kann, als dies in der Beschreibung angeführt wurde.

Claims (12)

  1. Turbolader (10), der Folgendes umfasst: einen Turbinenabschnitt (12) mit einem Turbinenrad (20), einen Kompressorabschnitt (14) mit einem Kompressorgehäuse (26) und einem Kompressorrad (16), das in dem Kompressorgehäuse (26) angeordnet ist, eine Welle (18), die das Turbinenrad (20) mit dem Kompressorrad (16) verbindet, einen Axialkompressor (30), der dazu ausgebildet ist, das Druckverhältnis stromaufwärts des Kompressorrades (16) zu erhöhen.
  2. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor ein Axialstrom-Gebläse (34) umfasst, das in Reihe mit dem Kompressorrad (16) angeordnet ist.
  3. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) ein Gebläse (34) mit einem Gebläserad (36) umfasst, und eine durch den Turbolader (10) bereitgestellte Verstärkung durch die Drehzahl des Gebläses (34) gesteuert wird.
  4. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) das Druckverhältnis um ungefähr 1,3 in Bezug auf das Kompressorrad (16) erhöht.
  5. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) durch Rollelementlager (38) an seinem Umfang gelagert ist.
  6. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) durch einen magnetischen Schrittmotor (40) angetrieben wird.
  7. Turbolader (10) nach Anspruch 6, wobei der Axialkompressor (30) ein Gebläse (34) mit einem Gebläserad (36) mit Magneten (44) umfasst, die erregbaren Spulen (42) zugeordnet sind, die ein drehendes Magnetfeld erzeugen, dem die Magnete (44) folgen können.
  8. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) durch einen Servomotor (40) angetrieben wird.
  9. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) durch einen AC-Motor in Verbindung mit einem Wandler angetrieben wird.
  10. Turbolader (10) nach Anspruch 1, wobei der Axialkompressor (30) in einem länglichen Einlassrohr (32) des Kompressorgehäuses (26) montiert ist.
  11. Turbolader (10), der Folgendes umfasst: einen Kompressor (14) mit einem Kompressorgehäuse (26), das ein Einlassrohr (32) definiert, und einem Kompressorrad (16), das in dem Kompressorgehäuse (26) angeordnet ist; und einen Axialkompressor (30), der in dem Einlassrohr (32) montiert ist, wobei der Axialkompressor ein Gebläse (34) umfasst, wobei die Verstärkung des Turboladers (10) durch die Drehzahl des Gebläses (34) gesteuert werden kann, wobei das Gebläse (34) ein Gebläserad (36) mit Magneten (44) umfasst; und einen magnetischen Schrittmotor (40) mit erregbaren Spulen (42), die dazu ausgebildet sind, ein drehendes Magnetfeld bereitzustellen, wobei der magnetische Schrittmotor dazu ausgebildet ist, das Gebläse (34) durch Zusammenwirken der Magnete (44) mit den erregbaren Spulen (42) anzutreiben, wobei der Axialkompressor (30) das Druckverhältnis in Bezug auf das Kompressorrad (16) um ungefähr 1,3 erhöht.
  12. Turbolader (10) nach Anspruch 11, wobei die Drehzahl des Gebläses (34) von Null bis 70.000 U/min in einer Richtung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn reicht.
DE112014004868.2T 2013-10-24 2014-10-21 Axialkompressor mit magnetischem Schritt- oder Servomotor Withdrawn DE112014004868T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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US201361894955P 2013-10-24 2013-10-24
US61/894,955 2013-10-24
PCT/US2014/061446 WO2015061242A1 (en) 2013-10-24 2014-10-21 Axial compressor with a magnetic stepper or servo motor

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