DE3339918A1 - Turbocharger arrangement for an internal combustion engine - Google Patents

Turbocharger arrangement for an internal combustion engine

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Abstract

In order to reduce the dimensions of a turbocharger arrangement with exhaust turbocharger and electrical machine, the electrical machine is structurally incorporated into the exhaust turbocharger in such a way that the active armature parts (4) of the electrical machine are arranged in the compressor impeller (1) and the active stator parts (5) of the electrical machine in a compressor housing wall (3). <IMAGE>

Description

AKTIENGESELLSCHAFTSHARED COMPANY

3180 Wolfsburg3180 Wolfsburg

- 3 K 3509/1702pt-hu-sa- 3 K 3509 / 1702pt-hu-sa

Turboladeranordnung für eine BrennkraftmaschineTurbocharger arrangement for an internal combustion engine

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a turbocharger arrangement according to the preamble of Claim 1.

Ein bekannter Nachteil derartiger Turboladeranordnungen, die also die Abgasenergie der Brennkraftmaschine zum Verdichten der der Maschine zugefuhrten Ladeluft ausnutzen, ist in dem verzögerten Ansprechverhalten· im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu sehen. Daher ist es auch seit langem bekannt, das Ansprechverhalten von Abgasturboladern durch Verwendung einer drehfest mit der Welle des Turböladers verbundenen Elektromaschine zu verbessern, die insbesondere im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, d.h. bei relativ geringem Abgasangebot, als Elektromotor wirkt und die Drehzahl des Abgasturboladers auf einen seine Wirksamkeit schon im unteren Drehzahlbereich sicherstellenden Wert erhöhte Bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine iste dagegen· das Abgasangebot so- groß, daß diese Elektromaschine nach Umschaltung, als- Generator Einsatz finden kann, der beispielsweise zum Aufladen der ι Batterie des; mit der Turboladeranordnung ausgerüsteten Kraftfahrzeugs dienen kann. Scr beschreibt die DE-OS 31 13 352, F02B' 37/00, eine Turboladeranordnung, beil der die Welle verdichterseitig das Gehäuse durchsetzt und dort in Drehverbindung mit einem Elektromotor steht. Diese Anordnung ist platzaufwendig. Aus den DE-OS 22 06 450 und 28 08 147, F02B 37/06, sind TurboladeranordnungenA known disadvantage of such turbocharger arrangements, that is, the exhaust gas energy the internal combustion engine to compress that supplied to the machine Exploiting charge air is in the delayed response · in the lower speed range to see the internal combustion engine. Therefore it has long been known to improve the response behavior of exhaust gas turbochargers by using an electric machine that is non-rotatably connected to the shaft of the turbocharger, which acts as an electric motor in particular in the lower speed range of the internal combustion engine, i.e. with a relatively low amount of exhaust gas, and the speed of the The exhaust gas turbocharger shows its effectiveness even in the lower speed range ensuring value increased at higher speeds of the internal combustion engine if, on the other hand, the exhaust gas supply is so great that this electric machine, after switching over, as a generator can be used, for example, to charge the ι battery of the; Serve motor vehicle equipped with the turbocharger arrangement can. Scr describes DE-OS 31 13 352, F02B '37/00, a turbocharger arrangement, where the shaft penetrates the housing on the compressor side and is there in a rotary connection with an electric motor. This arrangement is space consuming. From DE-OS 22 06 450 and 28 08 147, F02B 37/06, turbocharger arrangements are

Vorsitzender Vorstand: Dr. rer. pol. Carl H. Hahn, Vorsitzender · Horst Münzner, stellv. Vorsitzender · Claus Borgward · Karl Ho.n; grurn Chairman of the Board: Dr. rer. pole. Carl H. Hahn, Chairman · Horst Münzner, Deputy Chairman · Claus Borgward · Karl Ho.n; green

des Aufsichtsrats: Prof. Or. tedin. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk · Dr. jur. Wollgang R. Habbel · Günter Hartwidi · Dr. rer pol. /Verner '<· Viimidt ■--., -....., ο-.,„„ nr ... _„, 0„|, Sfi|nwsi;v sitz rlar Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB of the Supervisory Board: Prof. Or. tedin. Ernst Fiala Dr. jur. Peter Frerk Dr. jur. Wollgang R. Habbel Günter Hartwidi Dr. rer pol. . / Verner '<· Viimidt ■ -, -....., ο-, "" no ... _ "0" |, Sfi |. nws i; v registered office : Wolfsburg District Court Wolfsburg HRB

gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei denen die Elektromaschine in der Weise mit dem Abgasturbolader baulich vereinigt ist, daß der Anker der zwischen Verdichter- und Turbinenrad angeordneten Elektromaschine von der Welle des Abgasturboladers gebildet bzw. drehfest auf ihr angeordnet ist. Auch hier bestimmt jedoch die Elektromaschine in großem Maße die Abmessungen der Turboladeranordnung, und zwar insbesondere in axialer Richtung.known according to the preamble of claim 1, in which the electric machine is structurally united in such a way that the exhaust gas turbocharger Armature of the electric machine arranged between the compressor wheel and the turbine wheel, formed by the shaft of the exhaust gas turbocharger or arranged on it in a rotationally fixed manner is. Here too, however, the electrical machine largely determines the dimensions the turbocharger assembly, in particular in the axial direction.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß aus den genannten Druckschriften auch die Verwendung eines regelbaren Elektromotors bekannt ist, beispielsweise in der Weise, daß der Elektromotor die Drehzahl des Abgasturboladers im gesamten Kennfeld der Brennkraftmaschine konstant hält. Die Regelung kann dabei über die Drehzahl des elektromagnetischen Drehfeldes im Ständer der Elektromaschine erfolgen.At this point it should be added that from the cited publications also the Use of a controllable electric motor is known, for example in such a way that the electric motor increases the speed of the exhaust gas turbocharger throughout Engine map keeps constant. The regulation can be done via the speed of the electromagnetic rotating field in the stator of the electric machine take place.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs L so auszubilden, daß die geometrischen Abmessungen der Anordnung praktisch unabhängig von der Elektromaschine- sind. The invention is based on the object of providing a turbocharger arrangement according to the Form the preamble of claim L so that the geometric dimensions of the arrangement are practically independent of the electrical machine.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The inventive solution to this problem consists in the characterizing Features of claim 1, describe advantageous embodiments of the invention the subclaims.

Der große Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Idealfall die Unterbringung der Elektromaschine keinerlei Vergrößerungen der Abmessungen der Turboladeranordnung, zur Folge hat. Bringt man die aktiven Teile des Ankers und des Ständers der Elektromaschine irr Aufnahmenuterr oder Vertiefungen des Verdichterrads bzw. des Verdichtergehäuses unter und· sorgt man beispielsweise durch Vergießen mit Kunststoff für eine feste Verbindung zwischerr den verschiedenen Teilen,, ergibt sich auch1 keine nennenswerte mechanische Schwächung des Verdichterrads bzw. des Verdichtergehäuses, so daß zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Festigkeit überflüssig werden« Die Ausnutzung des ohnehin vorhandenen Verdichterrads als Anker bzw. Träger der aktiven Teile des Ankers der Elektromaschine bietet den Vorteil, daß eine nennenswerte Vergrößerung der rotierenden Massen durch den Anker der Elektromaschine nicht auftritt.The great advantage of the invention is that, in the ideal case, housing the electric machine does not result in any enlargement of the dimensions of the turbocharger arrangement. Bring to the active parts of the armature and the stator of the electric machine irr Aufnahmenuterr or depressions in the compressor impeller and the compressor housing under and · it ensures, for example by molding with plastic for a fixed connection zwischerr different parts ,, also arises 1 no appreciable mechanical weakening of the compressor wheel or the compressor housing, so that additional measures to increase the strength are superfluous. The use of the already existing compressor wheel as an armature or carrier of the active parts of the armature of the electric machine offers the advantage that a significant increase in the rotating masses through the armature the electric machine does not occur.

Als weiterer Vorteil der Erfindung ist anzuführen, daß die beschriebenen günstigen Eigenschaften nicht auf Kosten des Betriebsverhaltens der Turboladeranordnung, also weder des Abgasturboladers noch der Elektromaschine, erreicht werden. Nach wie vor ist es möglich, die Elektromaschine je nach dem Abgasangebot als Elektromotor oder als Generator zu betreiben, und auch die Regelung des den Ständer speisenden Drehfeldes kann beliebig erfolgen. So ist es möglich, Mittel zum Abschalten der Erregung der Elektromaschine sowie zum Umschalten zwischen Beschleunigung des Abgasturboladers durch den Elektromotor und Einhalten einer Minimaldrehzahl des Abgasturboladers vorzusehen.Another advantage of the invention is that the described favorable Properties cannot be achieved at the expense of the operating behavior of the turbocharger arrangement, i.e. neither the exhaust gas turbocharger nor the electric machine. It is still possible to operate the electric machine as an electric motor or as a generator, depending on the amount of exhaust gas available, and also to operate the control of the rotating field feeding the stator can be done in any way. So it is possible Means for switching off the excitation of the electric machine and for switching between acceleration of the exhaust gas turbocharger by the electric motor and to provide compliance with a minimum speed of the exhaust gas turbocharger.

Auch verlangt die Erfindung trotz der beschriebenen Integration der Elektromaschine in den Abgasturbolader keine Änderung der Abgasführung; es ist also auch möglich, das Druckgefälle über der eigentlichen Abgasturbine beispielsweise dadurch zu erhöhen, daß sich bei Einsatz der Anordnung in einem Kraftfahrzeug durch den Fahrtwind einstellende Druckverhältnisse zur Beschleunigung der Abgase am Fahrzeugheck oder unter dem Fahrzeug ausgenutzt werden. Das Entsprechende gilt für luftseitige Regelungen;· beispielsweise kann das Ladeluftvolumen insbesondere bei Betrieb des Elektromotors so, daß eine Minimaldrehzahl des Abgasturboladers sichergestellt ist, durch eine Drosselklappe vor dem Verdichter geregelt werden.The invention also requires the electric machine to be integrated in spite of the described integration No change in exhaust gas routing in the exhaust gas turbocharger; it is therefore also possible to measure the pressure drop across the actual exhaust gas turbine, for example by increasing that when the arrangement is used in a motor vehicle Pressure ratios set by the airstream to accelerate the exhaust gases at the rear of the vehicle or under the vehicle. The corresponding applies to air-side controls; for example, the charge air volume especially when the electric motor is operated in such a way that a minimum speed of the exhaust gas turbocharger is ensured, by means of a throttle valve in front of the compressor be managed.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die einen Axialschnitt nur durch die hier interessierenden Teile der Turboladeranordnung wiedergibt.An embodiment of the invention is described below with reference to the drawing explained, which shows an axial section only through the parts of the turbocharger assembly that are of interest here.

Vorr dem5 Abgasturbolader sind lediglich das Verdichterrad 1, die drehfest mit diesem verbundene* Welle Z und die· Rückwand 3 des Verdichtergehäuses dargestellte Die Wells 2t die die Verdichtergehäuserückwand. 3 hohe. Drehzahlen zulassend durchsetzt,, stellt eine drehfeste- Verbindung zwischen dem Verdichterrad: 1 und dem dieses antreibenden, vom Abgas- der nicht dargestellten Brennkraftmaschine beaufschlagten Turbinenrad des Abgasturboladers her, das ebenfalls nicht gezeichnet ist. Entsprechende Konstruktionen sind beispielsweise aus der eingangs zitierten Patentliteratur bekannt.Vorr the 5 turbocharger are only the compressor 1 which is rotationally fixedly connected thereto * Z shaft and the rear wall 3 · of the compressor housing shown Wells t 2, the compressor housing rear wall. 3 high. Permitting speeds, establishes a non-rotatable connection between the compressor wheel: 1 and the turbine wheel of the exhaust gas turbocharger that drives it and is acted upon by the exhaust gas of the internal combustion engine, which is also not shown. Corresponding constructions are known, for example, from the patent literature cited at the beginning.

Das Verdichterrad 1, das also im Wege der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft liegt, dient zugleich als Anker einer Elektromaschine, die im niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zur Erhöhung der Drehzahl und damit der Förderleistung des Abgasturboladers dient, dagegen bei Abgasüberschuß als Generator umgeschaltet werden kann. Diese Elektromaschine besitzt nach Art eines Scheibenläufermotors als aktive Teile des Ankers Permanentmagnete 4, die in Aufnahmenuten oder Vertiefungen an der der Luftströmung abgekehrten Rückseite des Verdichterrads 1 eingesetzt sind, sowie als aktive Ständerteile Wicklungen 5 in Aufnahmenuten oder Vertiefungen der Verdichtergehäuse-Rückwand 3. Wie die Figur unmittelbar zeigt, stehen sich die aktiven Teile von Anker und Ständer der Elektromaschine unmittelbar gegenüber. Sie sind in den Aufnahmen bzw. Vertiefungen durch Vergießen mit Kunstharz festgelegt.The compressor wheel 1, that is, by way of the internal combustion engine to be supplied Combustion air is also used as the armature of an electric machine, which in the low speed range of the internal combustion engine to increase the speed and thus the delivery rate of the exhaust gas turbocharger is used, on the other hand with excess exhaust gas can be switched as a generator. This electric machine has permanent magnets as active parts of the armature in the manner of a pancake motor 4, which are inserted into grooves or depressions on the rear side of the compressor wheel 1 facing away from the air flow, as well as active stator parts windings 5 in grooves or recesses in the rear wall of the compressor housing 3. As the figure immediately shows, the active parts of the armature and stator of the electric machine are directly opposite one another. They are fixed in the recordings or depressions by potting with synthetic resin.

Wie ebenfalls aus der Figur ersichtlich, hat die beschriebene Integration der Elektromaschine in den Abgasturbolader zur Folge, daß eine Vergrößerung der Abmessungen des Abgasturboladers durch die diesem zugeordnete Elektromaschine vermieden ist-As can also be seen from the figure, the integration described has the Electric machine in the exhaust gas turbocharger that an increase in the Dimensions of the exhaust gas turbocharger is avoided by the electric machine assigned to it-

Claims (5)

ο ο Q q o 1 Q VOLKSWAGE N WER K ° J'ο ο Q qo 1 Q VOLKSWAGE N WER K ° J ' AKTIENGESELLSCHAFTSHARED COMPANY 3180 Wolfsburg3180 Wolfsburg K 3509/1702pt-hu-saK 3509 / 1702pt-hu-sa -3.H0V, 1983-3.H0V, 1983 PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS ( 1./Turboladeranordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für Kraftfahrzeuge, enthaltend einen Abgasturbolader mit einem abgasseitigen Turbinenrad und einem von einem Verdichtergehäuse aufgenommenen Verdichterrad, die über eine Welle drehfest verbunden sind, und eine mit dem Abgasturbolader baulich vereinigte Elektromaschine, deren zuleitungsfreier Anker durch einen rotierenden Bestandteil des Abgasturboladers gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,, daß der Anker durch das Verdichterrad (1) und der Ständer der Elektromaschine durch das Verdichtergehäuse (3) gebildet ist.(1./Turbocharger arrangement for an internal combustion engine, especially for motor vehicles, Containing an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas-side turbine wheel and a compressor wheel accommodated by a compressor housing, which are non-rotatably connected via a shaft, and one with the exhaust gas turbocharger structurally combined electric machine, the lead-free armature of which is formed by a rotating component of the exhaust gas turbocharger, thereby characterized ,, that the anchor through the compressor wheel (1) and the Stator of the electric machine is formed by the compressor housing (3). 2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile (4,5) von Anker und Ständer in sich gegenüberstehende Oberflächenbereiche von Verdichterrad (1) und Verdichtergehäuse (3) eingelassen sind.2. Turbocharger arrangement according to claim 1, characterized in that the active Parts (4,5) of armature and stator let into opposing surface areas of compressor wheel (1) and compressor housing (3) are. 3.. Turboladeranordnung nach· Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile (4,5) von Anker und/oder Ständer im Einbauzustand mit Kunststoff vergossen sind. . . ·3 .. turbocharger arrangement according to · claim 2, characterized in that the active parts (4,5) of armature and / or stand in the installed state with plastic are shed. . . · 4. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Teile (5) des Ständers von der der Luftströmung abgekehrten Rückwand (3) des Verdichtergehäuses getragen sind.4. Turbocharger arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the active parts (5) of the stator are carried by the rear wall (3) of the compressor housing facing away from the air flow. Vorsitzender Vorstand: Dr. rer. pol. Carl H. Hahn, Vorsitzender · Horst Münzr.er, stellv. Vorsitzender - Claus Borgward · Karl-Heinz Briam Chairman of the Board: Dr. rer. pole. Carl H. Hahn, Chairman · Horst Münzr.er, Deputy Chairman - Claus Borgward · Karl-Heinz Briam des Aufsichtsrats: Prol. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk · Or. jur. Wollgang R. Habbel · Günter Hartwich · Dr. rer. pol. Werner P. Scftmicn Karl Gustaf Ratjen Dr. rer. pol. Rolf Selowsky Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB of the supervisory board: Prol. Dr. techn. Ernst Fiala Dr. jur. Peter Frerk · Or. Jur. Wollgang R. Habbel Günter Hartwich Dr. rer. pole. Werner P. Scftmicn Karl Gustaf Ratjen Dr. rer. pole. Rolf Selowsky Seat of the company: Wolfsburg District Court Wolfsburg HRB 5. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromaschine nach Art eines Scheibenläufermotors als aktive Ankerteile Permanentmagnete (4) und als aktive Ständerteile zumindest eine drehstromgespeiste Wicklung (5) enthält.5. Turbocharger arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the electric machine in the manner of a pancake motor as an active one Armature parts contains permanent magnets (4) and, as active stator parts, at least one three-phase current-fed winding (5).
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