DE202006004975U1 - Elektromotorisch unterstützter Turbolader - Google Patents

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Abstract

Elektromotorisch unterstützter Turbolader dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterteil entsprechend der Ladedruckanforderung getrennt, sowohl von einem Elektromotor/Generator, als auch von der Abgasturbine angetrieben werden kann.

Description

  • Bei dem Erfindungsgegenstand handelt es sich um einen Turbolader für KFZ-Motoren, bei welchem während des Hochlaufs auf Grund einer Fahrzeugbeschleunigung, die Drehzahl der Verdichterseite gegenüber der trägen Turbine, bewirkt durch einen eigenen elektromotorischen Antrieb voreilt, und damit schon bei niedriger Motordrehzahl einen ausreichenden Ladedruck bereitstellt. Damit kann das gefürchtete „Turboloch" beseitigt werden.
  • Die Lösungen nach dem Stand der Technik versuchen auf die verschiedenste Weise den Widerspruch zwischen einem volllastfähigen und einem reaktionsfreudigen Turbolader, beides bei geringem Schadstoffausstoss, zu beseitigen.
  • Die gängigste Lösung ist die variable Turbinen- Leitschaufelgeometrie (VTG). Eine weitere Variante, vor allem für höher aufgeladene Motoren, ist die Tandem- Anordnung zweier unterschiedlich grosser Turbolader, wobei der kleinere Lader für den Beschleunigungsvorgang, und der grössere Lader für den oberen Lastbereich des Dieselmotors zuständig ist.
  • Beiden Lösungen zu eigen ist der Nachteil, dass beim Beschleunigen zuerst in eine, bedingt durch geringe Saugarbeit des Motors, kleine Luftladung Kraftstoff eingespritzt wird, um damit auch einen grösseren Abgasstrom zu generieren. Dieser erst hat über Turbine und Verdichter eine höhere Luftladung, und damit eine höhere Leistung und bessere Verbrennung zur Folge. Hier wird ersichtlich, dass durch diese Lösungen das Grundproblem des Luftmangels und seiner Folgen nicht vollständig beseitigt werden kann.
  • Weiter existieren im Versuchsstadium elektromotorisch unterstützte Systeme, einmal der EAT (Electrically Assisted Turbocharger) und zum anderen der elektrisch angetriebene Zusatzverdichter (Booster).
  • Beide Systeme haben wie das vorgestellte Konzept den Vorteil, dass sie mittels E-Gas (Elektronisches Gaspedal) mit geringfügiger Voreilung vor der Einspritzung aktiviert werden können, und somit die oben beschriebenen Probleme nicht entstehen.
  • Die Nachteile dieser beiden Systeme sind folgende:
    Der EAT- Lader ist konstruktiv schwer beherrschbar, da der Elektromotor sich zwischen Turbine und Verdichter, in einer thermisch äusserst exponierten Lage befindet, und somit lagerungs- schmierungs und kühlungstechnische Probleme entstehen. Weiter sind relativ hohe elektrische Leistungen erforderlich, da auch das verhältnismässig schwere Turbinenlaufrad mit beschleunigt werden muss.
  • Technisch weniger problematisch ist der elektromotorisch angetriebene Zusatzverdichter (Booster).
  • Hier liegt die Schwierigkeit in der Integration in die bestehenden Bordnetze, die kaum in der Lage sind, der erhöhten Leistungsanforderung gerecht zu werden.
  • Die beschriebenen Nachteile der bestehenden und in Erprobung befindlichen Systeme sollen durch die vorliegende Erfindung vermieden werden:
    Durch eine Trennung des Verdichterlaufrades mittels eines Freilaufs (Überholkupplung) von der Turbinenwelle kann das Verdichterlaufrad, welches mit dem Rotor des Elektromotor/Generators fest verbunden ist, autonom betrieben werden. Überholt nun bei höherem Abgasmassenstrom die Turbinendrehzahl die des Verdichterlaufrades und übernimmt damit die Turbine die Arbeit, wird bei Leistungsüberschuss der Turbine statt Abregelung des Ladedrucks, der Elektromotor in den Generatorbetrieb umgeschaltet, und ist damit in der Lage, in jedem Falle die beim Hochbeschleunigen verbrauchte Energie wieder zu ersetzen.
  • Diese Zusammenhänge zeigen, dass das Gerät auch in die heute üblichen Fahrzeugantriebe mit mässiger Aufladung und einem Bordnetz von 12V DO integrierbar ist.
  • Darüber hinaus ist es bei höher aufgeladenen Motoren denkbar den Turbolader so auszulegen, dass ein höherer Leistungsüberschuss gegenüber der Ladearbeit entsteht, und der generatorisch arbeitende Verdichter- Elektromotor die Funktion der Lichtmaschine übernimmt.
  • Auch in sämtliche Hybrid- Konzepte, nämlich: Mikro- Hybrid, Mild- Hybrid und Voll- Hybrid, könnte das Gerät integriert werden. Hier könnte die aus dem Turbolader ausgekoppelte Energie ähnlich eines Compound- Systems im elektrischen Fahrmotor/Generator genutzt werden. Eine Ladedruckregelklappe wäre in diesen Fällen nicht mehr notwendig, da der Lader jederzeit generatorisch gebremst und damit geregelt werden könnte.
  • Eine grosse Bedeutung für niedrige Entwicklungskosten und eine wirtschaftliche Produktion hat der konstruktive Aufbau des beschriebenen Turboladers. Die Turbinenseite stellt praktisch unverändert die bisherige Konzeption dar, bei welcher die kritischen Punkte, wie Lagerung, Schmierung, Ladedruckregelung und ggfls. Kühlung zuverlässig gelöst sind. Mittels zweier Verbindungsteile sind Motor/Generator mit aufgesetztem Verdichterlaufrad, eingebaut in einem die Statorkühlung und das Spiralgehäuse beinhaltenden Gehäuseteiles, am Turbinenteil angedockt. Das Verdichterlaufrad enthält die Zwischenlagerung und einen handelsüblichen Klemmrollenfreilauf.
  • Der Motor/Generator ist sinnvoller Weise eine Permanentmagnet erregte Synchronmaschine mit Magnet- Rotor, welche als elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine geschaltet sein könnte.
  • Der Gleichstromkreis könnte mittels Speicherkondensatoren beschaltet sein, um beim Hochbeschleunigen die Batterie zu entlasten.
  • Zusammengefasst seien die Vorteile der Erfindung gegenüber Systemen mit ähnlichem Anforderungsprofil in Stichworten angeführt:
    • 1. Aufbau auf bewährter Turbinen- Baugruppe.
    • 2. Einfügbar in die heute üblichen, für derartige Verbraucher relativ schwachen Bordnetze.
    • 3. Möglichkeit, voreilend vor der Kraftstoff- Einspritzung (Diesel), durch den Elektroantrieb des Laders genügend Verbrennungsluft bereitzustellen.
    • 4. Möglichkeit, künftig hochaufgeladene Dieselmotoren mit nur einem, relativ grossen Turbolader mit entsprechend gutem Wirkungsgrad zu betreiben.
    • 5. Möglichkeit, bei hoch aufgeladenen Systemen elektrische Energie auszukoppeln.
    • 6. Steigerung des Nutzens von Hybrid- Konzepten durch eine weitere rekuperative Energiequelle, neben der genutzten Bremsenergie, was eine bessere Effizienz bei Langstreckenfahrten ergibt.
    • 7. Einfache Kühlmöglichkeit des Elektromotor/Generators mittels vorbei geführter Verbrennungsluft.
    • 8. Anwendbar für Diesel- und Ottomotoren.
    • 9. Günstige Entwicklungs- und Baukosten.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt:
    Über den Ansaugstutzen 1, wird die Verbrennungsluft in einem mit radial angeordneten Kühlrippen 2 versehenen Ringraum, welcher das Statorpaket des Motor/Generators 3 umfasst, zum Verdichterlaufrad 9 geleitet, von wo sie über das Spiralgehäuse, welches einstückiges Bestandteil des Gehäuseteils 5 ist, und einen nicht dargestellten Ladeluftkühler zum Verbrennungsmotor geleitet wird.
  • Der Ladeluftkühler muss geringfügig größer dimensioniert werden, da die Abwärme des Motor/Generators 3 zusätzlich zur Verdichtungswärme vom Kühler abzuführen ist.
  • Die Turbine 6, in üblicher Bauweise, ist über das Verbindungsteil 7 mit dem Gehäuseteil 5 verbunden.
  • Das rotierende System, nämlich die Turbinenwelle 8 und das Verdichterlaufrad 4 sind mittels des Verbindungsteiles 9 und dem Klemmrollenfreilauf 10 miteinander verbunden. Das Verdichterlaufrad 4 seinerseits ist fest verbunden mit dem Permanentmagnetrotor 11 des Motor/Generators 3, welcher am äußeren Ende in einem dauergeschmierten Spindel- Wälzlager 12 gelagert ist.
  • Das neben dem im Verdichterlaufrad 4 integrierten Klemmrollenfreilauf 10 angeordnete dauergeschmierte Nadellager 13 dient als Mittel- Lager des Permanentmagnetrotors 11, und ist nur bei einer Drehzahldifferenz zwischen Turbinen- und Laderteil beansprucht.
  • Der Bauraum 14 dient zur Aufnahme eines Rotorlagen- Gebers für den Permanentmagnetrotor 11.

Claims (6)

  1. Elektromotorisch unterstützter Turbolader dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterteil entsprechend der Ladedruckanforderung getrennt, sowohl von einem Elektromotor/Generator, als auch von der Abgasturbine angetrieben werden kann.
  2. Elektromotorisch unterstützter Turbolader nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der beiden Antriebsmöglichkeiten durch einen Klemmrollenfreilauf (10) bewerkstelligt wird, welcher bewirkt, dass der jeweils höher drehende Antrieb die Arbeit übernimmt.
  3. Elektromotorisch unterstützter Turbolader nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenseite des Gerätes nahezu vollständig der bewährten heutigen Ausführung entspricht.
  4. Elektromotorisch unterstützter Turbolader nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät über eine Mittenlagerung (13) auf der Turbinenwelle (8) verfügt, welche damit nur der Differenzdrehzahl beider Antriebe ausgesetzt ist.
  5. Elektromotorisch unterstützter Turbolader nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Motor/Generators (3) mittels der angesaugten Verbrennungsluft, durch Vorbeiführen an den Kühlrippen (2), welche mit dem Statorpaket in Kontakt stehen und in einem Ringraum des Gehäuseteiles (5) angeordnet sind, bewirkt wird.
  6. Elektromotorisch unterstützter Turbolader nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor/Generator- Teil (3) innerhalb des Gerätes in der Reihenfolge: Turbine (6)- Verdichter (4)- Motor/Generator (3) angeordnet ist.
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