DE19938624C2 - Exhaust gas turbocharger - Google Patents

Exhaust gas turbocharger

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Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.The invention relates to an exhaust gas turbocharger according to the Oberbe handle of claim 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende als auch fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsrege­ lung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu steigern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsenergie der Verbrennungsgase ver­ mehrt genutzt wird. Auch kann das Prinzip an einer Brennstoff­ zelle eingesetzt werden, um komprimierte Luft zuzuführen und die Expansionsenergie vermehrt zu nutzen.Exhaust gas turbochargers are used for both auto-igniting as well spark-ignition reciprocating internal combustion engines with quality control tion or quantity control used to increase performance increase the cylinder charge by compressed air improved and the expansion energy of the combustion gases ver is used more. The principle can also be based on a fuel cell can be used to supply compressed air and to increasingly use the expansion energy.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfa­ chen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine, die triebmäßig mit einem Krei­ selverdichter verbunden ist. Nachteilig ist, daß die Abgastur­ bine schlecht zu regeln ist und daß in manchen Betriebsberei­ chen, in denen die Brennkraftmaschine einen erhöhten Ladedruck benötigt, keine ausreichende Abgasmenge zur Verfügung steht, um ohne Verzögerung den Verdichter hochfahren zu können.Exhaust gas turbochargers are proven auxiliary units with a simple Chen construction and a long service life. They consist in the Usually from an exhaust gas turbine that drives with a circle self-compressor is connected. The disadvantage is that the exhaust gas It is difficult to regulate and that in some operating areas chen in which the internal combustion engine has an increased boost pressure not enough exhaust gas is available, to be able to start up the compressor without delay.

Aus der DE 195 18 317 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Betrieb eines elektrisch unterstützten Turboladers bekannt, bei der zwischen einer Abgasturbine und einem Krei­ selverdichter auf einer Verbindungswelle der Laufräder der Rotor eines zwölfpulsigen Asynchronmotors angeordnet ist. Mit Hilfe des Elektromotors kann der Verdichter unabhängig von dem jeweiligen Anfall an Abgas auf eine entsprechende Drehzahl ge­ bracht werden, so daß in Abhängigkeit von beliebigen Betriebs­ parametern ein gewünschter Ladedruck erzeugt werden kann. Ob­ wohl die Rotormasse nur halb so groß ist und dessen Massen­ trägheitsmoment nur ein Viertel konventioneller Drehstrommoto­ ren ausmacht, ist die Gesamtmasse der Laufräder, der Verbin­ dungswelle und des Rotors und damit das Massenträgheitsmoment so groß, daß sich kein zufriedenstellendes dynamisches An­ sprechverhalten ergibt.DE 195 18 317 A1 describes a method and a device device for operating an electrically assisted turbocharger known in the case of an exhaust gas turbine and a circuit self-compressor on a connecting shaft of the rotor impellers  a twelve-pulse asynchronous motor is arranged. With With the help of the electric motor, the compressor can be operated independently respective amount of exhaust gas to a corresponding speed ge be brought so that depending on any operation a desired boost pressure can be generated. Whether probably the rotor mass is only half as large and its mass moment of inertia only a quarter of a conventional three-phase motor ren is the total mass of the wheels, the connection shaft and the rotor and thus the moment of inertia so large that there is no satisfactory dynamic response speaking behavior results.

Aus der DE 36 23 676 A1 ist ein Abgasturbolader bekannt, der zusätzlich von der Brennkraftmaschine über ein hydrostatisches Getriebe und ein mechanisches Getriebe mit einem Freilauf zu­ sätzlich angetrieben wird. Dabei kann der Freilauf unmittelbar auf der Verbindungswelle zwischen der Abgasturbine und dem Kreiselverdichter angeordnet sein, so daß der zusätzliche An­ trieb vom Antrieb der Abgasturbine entkoppelt ist. Diese Lö­ sung ist sehr aufwendig, da eine Hydraulikpumpe, ein Hydrau­ likmotor und ein mechanisches Getriebe mit einer entsprechen­ den Steuerung und Regelung erforderlich sind. Ferner beanspru­ chen die Aggregate einen bedeutenden Bauraum, der in Kraft­ fahrzeugen nicht immer zur Verfügung steht. Ferner ist das Hy­ drauliksystem mit seinen hohen Drücken eine ständige Gefahren­ quelle für die Umwelt, da bei Leckagen oder Unfällen belasten­ des Hydraulikmedium in die Umgebung gelangen kann.An exhaust gas turbocharger is known from DE 36 23 676 A1 additionally from the internal combustion engine via a hydrostatic Gearbox and a mechanical gearbox with a freewheel too is additionally driven. The freewheel can be used immediately on the connecting shaft between the exhaust gas turbine and the Centrifugal compressors can be arranged so that the additional on driven is decoupled from the drive of the exhaust gas turbine. This Lö solution is very complex because a hydraulic pump, a hydraulic likmotor and a mechanical gearbox with a match the control and regulation are required. Furthermore claimed the units have a significant installation space that is in effect vehicles is not always available. Furthermore, the Hy draulic system with its high pressures a constant danger source for the environment, since leakage or accidents are a burden of the hydraulic medium can get into the environment.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ansprechverhal­ ten eines gattungsgemäßen Abgasturboladers zu verbessern. Die­ se Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The invention is based, the response behavior to improve a generic exhaust gas turbocharger. The se object is achieved according to the invention by the features of the spell 1 solved. Further configurations result from the Dependent claims.  

Nach der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Turbolader vorgeschlagen, daß der Elektromotor ein Reluktanzmotor ist. Der Rotor des Reluktanzmotors, der triebmäßig mit dem Laufrad des Kreiselverdichters verbunden ist, besitzt eine außerge­ wöhnlich geringe Masse. Dadurch ist sein Massenträgheitsmoment sehr niedrig und das Ansprechverhalten des Abgasturboladers sehr gut. Ferner ist der Reluktanzmotor sehr einfach im Aufbau und sehr robust. Die Stromversorgung ist keine zusätzliche Ge­ fahrenquelle für die Umwelt.According to the invention in a generic turbocharger proposed that the electric motor is a reluctance motor. The rotor of the reluctance motor, which drives with the impeller the centrifugal compressor is connected, has an extra usually low mass. This is its moment of inertia very low and the response of the exhaust gas turbocharger very good. Furthermore, the reluctance motor is very simple in construction and very robust. The power supply is not an additional Ge driving source for the environment.

Um die Masse des Rotors von der Masse des Turbinenlaufrads zu entkoppeln, wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vor­ geschlagen, daß die Turbinenwelle über eine in Antriebsrich­ tung sperrende Überholkupplung mit dem Rotor oder einer Ver­ dichterwelle des Verdichterlaufrads koppelbar ist. Dadurch kann der Verdichter mit einem relativ kleinen Reluktanzmotor sehr schnell hoch gefahren werden. Ferner braucht die Abga­ sturbine bis zum Ansprechen der Überholkupplung nur die Masse des Turbinenlaufrads zu beschleunigen.To the mass of the rotor from the mass of the turbine impeller decouple, according to an embodiment of the invention struck that the turbine shaft via a drive in locking overrunning clutch with the rotor or a Ver Dichterwelle the compressor impeller can be coupled. Thereby can the compressor with a relatively small reluctance motor be started up very quickly. The Abga also needs turbine until the overrunning clutch responds only the mass to accelerate the turbine impeller.

Der Reluktanzmotor benötigt nur einen geringen Bauraum zwi­ schen der Abgasturbine und dem Kreiselverdichter. Er überragt diese beiden Aggregate in radialer Richtung nicht. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Rotor des Reluktanzmotors drehbar im Motorgehäuse gelagert und an einem Ende fest mit der Verdich­ terwelle verbunden ist. Dadurch kann der Rotor an dem Ende, das der Verdichterwelle zugewandt ist, über die Verdichterwel­ le im Motorgehäuse gelagert werden. Die Turbinenwelle wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung günstig im Rotor gela­ gert. Somit beansprucht die Lagerung der Turbinenwelle keinen zusätzlichen axialen Bauraum. The reluctance motor requires only a small space between the exhaust gas turbine and the centrifugal compressor. It towers over these two aggregates do not in the radial direction. It is it is advantageous that the rotor of the reluctance motor rotatable in Motor housing mounted and fixed at one end to the compression terwelle is connected. This allows the rotor at the end that faces the compressor shaft, via the compressor shaft le be stored in the motor housing. The turbine shaft will According to an embodiment of the invention gela cheap device. The bearing of the turbine shaft therefore does not require any additional axial installation space.  

Um das Ansprechverhalten des Abgasturboladers in einem Be­ triebsbereich weiter zu verbessern, wenn der Kreiselverdichter von der Abgasturbine angetrieben wird, ist es zweckmäßig, daß der Rotor über eine in Antriebsrichtung sperrende Überholkupp­ lung triebmäßig mit der Verdichterwelle verbunden ist. Dadurch kann der Abgasturbolader in diesen Betriebsbereichen arbeiten, wie wenn kein Elektromotor vorhanden wäre.To the response of the exhaust gas turbocharger in a Be drive range continue to improve when the centrifugal compressor is driven by the exhaust gas turbine, it is appropriate that the rotor via an overrunning clutch that locks in the drive direction the drive is connected to the compressor shaft. Thereby can the exhaust gas turbocharger work in these operating areas, like if there was no electric motor.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further advantages result from the following drawing spelling. In the drawing, embodiments of the He shown. The description and the claims ent keep numerous features in combination. The specialist will expediently also consider and consider the features individually summarize other useful combinations.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ab­ gasturbolader, FIG. 1 shows a longitudinal section through an inventive From gas turbocharger,

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. I und Fig. 2 shows a section along the line II-II in Fig. I and

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 1. Fig. 3 shows a variant of Fig. 1,.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 besitzt eine Abgastur­ bine 2 und einen Kreiselverdichter 3. Der Abgasturbine 2 strömt über ein doppelflutiges Turbinengehäuse 5 Abgas von ei­ ner nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine zu, das ein Turbinenlaufrad 6 antreibt und über einen Turbinenaustritt 7 in eine nicht näher dargestellte Abgasleitung strömt. Das Tur­ binenlaufrad 6 ist mit einer Turbinenwelle 8 verbunden, die durch Kugellager 11 in einem Rotor 12 eines Reluktanzmotors 4 gelagert ist. Die Turbinenwelle 8 ist triebmäßig mit dem Rotor 12 über eine Überholkupplung 17 koppelbar, die in Antriebs­ richtung sperrt, so daß das Drehmoment des Turbinenlaufrads 6 auf den Rotor 12 übertragen wird, wenn sich die Turbinenwelle 8 schneller dreht als der Rotor 12.The exhaust gas turbocharger 1 according to the invention has an exhaust gas turbine 2 and a centrifugal compressor 3 . The exhaust gas turbine 2 flows via a double-flow turbine housing 5 exhaust gas from an internal combustion engine, not shown, which drives a turbine impeller 6 and flows via a turbine outlet 7 into an exhaust line, not shown. The Tur turbine wheel 6 is connected to a turbine shaft 8 which is supported by ball bearings 11 in a rotor 12 of a reluctance motor 4 . The turbine shaft 8 is drivingly coupled to the rotor 12 via an overrunning clutch 17 which locks in the drive direction, so that the torque of the turbine impeller 6 is transmitted to the rotor 12 when the turbine shaft 8 rotates faster than the rotor 12 .

Der Rotor 12 ist am turbinenseitigen Ende über ein Wälzlager 9 in einem Lagerdeckel 10 eines Motorgehäuses 26 des Reluktanz­ motors 4 gelagert. An seinem anderen Ende ist der Rotor 12 an einer Verdichterwelle 18 befestigt, die ein Verdichterlaufrad 23 trägt und über ein Wälzlager 20 in einem weiteren Lagerdec­ kel 19 des Motorgehäuses 26 gelagert ist. Somit ist der Rotor 12 an diesem Ende über die Verdichterwelle 18 im Motorgehäuse 26 gelagert. Da der Rotor 12 und die Verdichterwelle 18 fest miteinander verbunden sind, ist es unerheblich, ob die Turbi­ nenwelle 8 durch die Überholkupplung 17 mit dem Rotor 12 oder direkt mit der Verdichterwelle 18 koppelbar ist.The rotor 12 is mounted on the turbine end via a roller bearing 9 in a bearing cap 10 of a motor housing 26 of the reluctance motor 4 . At its other end, the rotor 12 is fastened to a compressor shaft 18 which carries a compressor impeller 23 and is mounted on a roller bearing 20 in a further bearing bracket 19 of the motor housing 26 . Thus, the rotor 12 is supported at this end via the compressor shaft 18 in the motor housing 26 . Since the rotor 12 and the compressor shaft 18 are firmly connected to one another, it is immaterial whether the turbine shaft 8 can be coupled by the overrunning clutch 17 to the rotor 12 or directly to the compressor shaft 18 .

Das Verdichterlaufrad 23 saugt über eine Einlaßöffnung 24 Luft an und fördert diese in einen Diffusor 22 eines Spiralgehäuses 21, der einen Auslaßstutzen 25 besitzt. An diesen schließt sich eine nicht näher dargestellte Ladeluftleitung der Brenn­ kraftmaschine an.The compressor impeller 23 sucks in air via an inlet opening 24 and conveys it into a diffuser 22 of a volute casing 21 which has an outlet connection 25 . This is followed by a charge air line, not shown, of the internal combustion engine.

Das Motorgehäuse 26, das an seinem Umfang Kühlkanäle 27 auf­ weist, umschließt einen Stator 13 mit Wicklungen 14, die elek­ tromagnetische Pole ausbilden und mit Polen 16 des Rotors 12 zusammenwirken. Die axial über den Stator 13 herausragenden Wickelköpfe sind mit 15 bezeichnet (Fig. 1). Durch den Reluk­ tanzmotor 4 kann das Verdichterlaufrad 23 zusätzlich oder al­ lein angetrieben werden, sobald der Rotor 12 schneller läuft als die Turbinenwelle 8. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Turbinenwelle 8 mit der Verdichterwelle 18 und dem Ro­ tor 12 einstückig ausgebildet sind. The motor housing 26 , which has cooling channels 27 on its circumference, encloses a stator 13 with windings 14 which form electromagnetic poles and cooperate with poles 16 of the rotor 12 . The winding heads projecting axially beyond the stator 13 are designated by 15 ( FIG. 1). By Reluk dance motor 4, the compressor wheel 23 can be driven in addition to or al lein, once the rotor 12 runs faster than the turbine shaft. 8 Basically, it is also possible that the turbine shaft 8 with the compressor shaft 18 and the ro tor 12 are integrally formed.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausfüh­ rung nach Fig. 1 durch eine zusätzliche Überholkupplung 28, über die der Rotor 12 auf die Verdichterwelle 18 treibt. Läuft der Rotor 12 langsamer als die Verdichterwelle 18, ist die Verdichterwelle 18 von dem Rotor 12 entkoppelt. In diesem Fall treibt die Turbinenwelle 8 über die Überholkupplung 17 unmit­ telbar auf die Verdichterwelle 18, so daß die Abgasturbine 2 durch die Masse des Rotors 12 nicht beeinflußt wird und für das dynamische Ansprechverhalten lediglich die geringen Massen und Massenträgheitsmomente der Laufräder 6, 23 und der Turbi­ nenwelle 8 sowie der Verdichterwelle 18 bedeutsam sind.1, the embodiment of FIG. 3 differs from the exporting tion of Fig. 28 by an additional overrunning clutch through which the rotor drives the compressor shaft 18 12. If the rotor 12 runs slower than the compressor shaft 18 , the compressor shaft 18 is decoupled from the rotor 12 . In this case, the turbine shaft 8 drives directly via the overrunning clutch 17 on the compressor shaft 18 , so that the exhaust gas turbine 2 is not influenced by the mass of the rotor 12 and for the dynamic response behavior only the small masses and moments of inertia of the impellers 6 , 23 and Turbi nenwelle 8 and the compressor shaft 18 are significant.

Claims (6)

1. Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die über eine Tur­ binenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist, wobei auf der Turbinenwelle ein Elektromotor angeordnet ist, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Re­ luktanzmotor (4) ist.1. Exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine which is drivingly connected to a centrifugal compressor via a turbine shaft, an electric motor being arranged on the turbine shaft, the rotor of which is connected to the centrifugal compressor drivingly, characterized in that the electric motor is a re luctance motor ( 4 ) is. 2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenwelle (8) über eine in Antriebsrichtung sper­ rende Überholkupplung (17) mit dem Rotor (12) oder einer Ver­ dichterwelle (18) koppelbar ist.2. Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the turbine shaft ( 8 ) via a lockable in the drive direction overrunning clutch ( 17 ) with the rotor ( 12 ) or a United compressor shaft ( 18 ) can be coupled. 3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) des Reluktanzmotors (4) drehbar im Motorge­ häuse (26) gelagert und an einem Ende mit der Verdichterwelle (18) verbunden ist.3. Exhaust gas turbocharger according to claim 2, characterized in that the rotor ( 12 ) of the reluctance motor ( 4 ) rotatably mounted in the motor housing ( 26 ) and connected at one end to the compressor shaft ( 18 ). 4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) an einem Ende über die Verdichterwelle (18) im Motorgehäuse (26) gelagert ist.4. Exhaust gas turbocharger according to claim 3, characterized in that the rotor ( 12 ) is mounted at one end via the compressor shaft ( 18 ) in the motor housing ( 26 ). 5. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Turbinenwelle (8) im Rotor (12) gelagert ist. 5. Exhaust gas turbocharger according to claim 3 or 4, characterized in that the turbine shaft ( 8 ) in the rotor ( 12 ) is mounted. 6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) über eine in An­ triebsrichtung sperrende Überholkupplung (28) triebmäßig mit der Verdichterwelle (18) verbunden ist.6. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 2 to 5, characterized in that the rotor ( 12 ) via a drive in the direction of locking overrunning clutch ( 28 ) is drivingly connected to the compressor shaft ( 18 ).
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