DE69636906T2 - Turbolader mit eingebautem elektrischen hilfsmotor und kühleinrichtung dafür - Google Patents

Turbolader mit eingebautem elektrischen hilfsmotor und kühleinrichtung dafür Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung ist auf abgasgetriebene Turbolader für Verbrennungsmotoren und insbesondere auf die Anwendung eines integralen Elektromotors zur Aufladung der Ausgabe eines niedrigen Abgasvolumens gerichtet.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Um die Leistungsausgabe eines Verbrennungsmotors mit einem speziellen Hubraum zu steigern, kann zusätzliche Luft durch Komprimieren der Luft mittels eines Turboladers geliefert werden. Zusätzliche Luft gestattet die Verbrennung von mehr Brennstoff zur Erzeugung einer gesteigerten Leistungsausgabe.
  • Bei sehr niedriger Motordrehzahl, wie beispielsweise im niedrigen Leerlauf, gibt es nicht ausreichend Abgasenergie zum ausreichend schnellen Antrieb des Turboladers zur Erzeugung von signifikanten Aufladungsniveaus. Folglich gibt es eine merkliche Verzögerungszeit zwischen der Öffnung einer Motordrossel und dem Zeitpunkt, wenn der Turbolader schnell genug läuft, um genug Ladedruck zu erzeugen, um Ruß bei der Beschleunigung zu eliminieren. Brennstoffsteuervorrichtungen, wie beispielsweise Zahnstangen- bzw. Rack-Begrenzer oder Anaeroid-Steuerungen werden eingesetzt, um die Brennstoffmenge zu begrenzen, die zu den Motorzylindern geliefert wird, bis der Turbolader ausreichend Luft liefern kann, um eine rußfreie Verbrennung zu erzeugen. Diese Brennstoffbegrenzungsvorrichtungen bewirken ein langsameres Ansprechen auf das Öffnen der Drossel und eine Verzögerung beim Motor- und Fahrzeugansprechen.
  • Es gibt eine Notwendigkeit zur Steigerung der Ausgabe eines Abgas getriebenen Turboladers während jenen Zeiten, wo eine Steigerung der Motorausgangsleistung erforderlich ist.
  • Es sei hingewiesen auf die Schrift JP 05 256155 A , die ein Düsenloch offenbart, welches in Richtung eines Rotors und eines Stators weist, und welches in das Gehäuse eines Turboladers mit einer elektrischen Drehmaschine gebohrt ist, und wobei ein Strömungsmitteldurchlass vorgesehen ist und mit einem Luftkompressor verbunden ist. Zur Motorantriebszeit der elektrischen Drehmaschine wird der Temperaturanstieg des Stators detektiert. Im Fall des Überschreitens der festgelegten Temperatur, wird Öl in die Luft gemischt, die vom Luftkompressor komprimiert wird, und diese gemischte Luft wird in den Rotor und so weiter aus dem Düsenloch gesprüht, um den Temperaturanstieg zu verhindern.
  • Weiterhin sei hingewiesen auf die Schrift EP 0 079 100 , die sich auf einen Turbolader bezieht, der es möglich macht, einen Verbrennungsmotor zu überladen (Superladung), insbesondere einen Verbrennungsmotor zur Ausrüstung eines Fahrzeugs. Dieser Turbolader weist eine reversible erzeugende/aufnehmende elektromagnetische Maschine auf, die mit der Verbindungswelle assoziiert ist, die den Kompressor und die Turbine verbindet; die Wicklungen des Stators dieser Maschine sind elektrisch mit elektrischen Schaltmitteln und mit Steuerungs- und Regulierungsmitteln verbunden, die es möglich machen, die Schaltvorgänge von einem Zustand zum anderen auszuführen, um entweder einen Ladestrom an eine Batterie zu liefern, oder am Antrieb und an der Beschleunigung der Verbindungswelle, und daher des Kompressors, teilzunehmen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Turboaufladungssystem für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Um beim Verständnis dieser Erfindung zu helfen, kann im Wesentlichen in zusammenfassender Form bemerkt werden, dass sie auf einen durch Abgas angetriebenen Turbolader gerichtet ist, der einen integralen Elektromotor hat, um die Kompressordrehzahl bei niedrigen Abgasflussraten aufrecht zu erhalten, um ausreichend Motorluft zu liefern, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Abgasruß zu eliminieren und die Leistung früh im Beschleunigungsbetriebszustand aufzuladen. Die Erfindung weist eine Struktur zur Begrenzung der oberen Temperaturen des Motors und zur Begrenzung des Wärmeflusses in den Motor auf.
  • Es ist ein Aspekt dieser Erfindung, Leistung zu einem Turbolader zu liefern, der durch Abgasexpansion angetrieben wird, und zwar durch Vorsehen eines integrierten Motors zur Lieferung von Drehmoment, um bei der Drehung der Welle in der gleichen Richtung wie durch die Abgasexpansion zu helfen.
  • Es ist ein weiterer Aspekt dieser Erfindung, einen durch Abgas angetriebenen Turbolader mit einem internen Elektromotor mit Vorkehrungen zur Kühlung des Motors vorzusehen, um die Motortemperatur während und nach dem Betrieb zu begrenzen.
  • Es ist ein weiterer Aspekt dieser Erfindung, eine thermische Isolierung zwischen der Abgasturbine und dem Elektromotor vorzusehen, um dem Wärmefluss von der Abgasturbine zum Elektromotor sowohl während des Betriebs als auch folgend auf den Betrieb vorzusehen.
  • Es ist eine weiterer Aspekt dieser Erfindung, einen durch Abgas angetriebenen Kompressor mit einem Luftfluss in einer Richtung von dem Verbrennungsmotor zur Abgasturbine zu beliefern, um Wärme aus der Struktur um den Elektromotor herum zu entfernen.
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, die als neuartig angesehen werden, sind genau in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die vorliegende Erfindung kann sowohl bezüglich ihres Aufbaus als auch bezüglich ihrer Betriebsweise zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen davon am Besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Längsschnitt durch eine Gasturbine und einen Luftkompressor eines durch Automobilabgase angetriebenen Turboladers und durch die Lagerung und das Motorgehäuse, wobei der interne Elektromotor zwischen den Lagern im Lagergehäuse positioniert gezeigt ist.
  • 2 ist ein vergrößerter Querschnitt, der im Allgemeinen entlang der Linie 2-2 der 1 aufgenommen ist.
  • 3 ist ein vergrößertes Detail des Motors und seiner umgebenden Struktur.
  • Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
  • Das Turboladersystem dieser Erfindung ist im Allgemeinen mit 10 in 1 bezeichnet. Die Gasturbine 12 und der Luftaufladungskompressor 14 sind hauptsächlich in einem Längsquerschnitt auf der Mittellinie ihrer Verbindungswelle 16 gezeigt. Die Gasturbine hat eine Einlassschnecke 18, die angeschlossen ist, um das Abgas von einem Verbrennungsmotor aufzunehmen, wie beispielsweise von einem Dieselmotor. Ein Laufrad 20 ist an der Welle 16 befestigt und das Abgas expandiert dort. Das verbrauchte Abgas wird aus dem Auslassrohr 22 ausgestoßen. Das Laufrad 20 prägt Drehmoment auf die Welle 16 auf und dreht die Welle.
  • Am anderen Ende der Welle nimmt der Lufteinlass 24 Luft von außen auf, nachdem diese durch einen Luftfilter oder ähnliches gelaufen ist, was größere physische Verunreinigungen entfernt. Der Lufteinlass 24 ist Teil des Turboladers, der die Schnecke 26 aufweist. Das Kompressorlaufrad 28 ist an der Welle 16 befestigt und dreht sich damit. Die Drehung des Kompressorlaufrades komprimiert die Einlassluft, die durch die Schnecke, manchmal durch einen Zwischenkühlungswärmetauscher, zum Verbrennungsmotor geliefert wird.
  • Ein Lager- und Motorgehäuse, welches im Allgemeinen mit 30 bezeichnet ist, ist ein geteiltes Gehäuse, wie in 2 zu sehen, und zwar zur Vereinfachung der Montage der inneren Teile. Jedoch ist das Gehäuse 30 im Querschnitt in 1 zur Verdeutlichung der Veranschaulichung gezeigt. Das Lager 32 und das Lager 34 umfassen die Welle 16 im Wesentlichen an den Enden des Lagergehäuses 30. Es ist wünschenswert, dass die Lager soweit voneinander beabstandet sind wie möglich, um eine Stabilität der Welle vorzusehen. Zusätzlich zum Tragen der Lager sind sowohl die Kompressorschnecke 26 als auch die Turbinenschnecke 18 an dem Lagergehäuse 30 befestigt. Der Öleinlass 30 liefert Motoröl zum Lagergehäuse, wo es in einen ringförmigen Öldurchlass 38 eintritt. Schmieröl für die Lager 32 und 34 wird von dem ringförmigen Öldurchlass 38 durch Lageröldurchlässe 40 und 42 geliefert. Ein großer Teil der Struktur ist auch in den 2 und 3 zu sehen. Der ringförmige Öldurchlass 38 hat Ablauföffnungen 44 und 46 zur Ablaufkammer 48, die eine Auslassverbindung 50 zur Rückleitung des Öls zum Motor zur Rückzirkulation hat. Das Öl, welches aus den Lagern 32 und 34 zum Inneren des Lagergehäuses hin entweicht, fließt direkt in die Ablaufkammer 48. Das Öl, welches sich aus der Ablaufkammer von den Lagern bewegt, wird zur Ablaufkammer durch die Rückleitungsdurchlässe 52 und 54 zurückgeleitet. Die Welle hat Dichtungen 156 und 158, um zu verhindern, dass das Öl heraus kommt und in den Kompressor und die Expansionskammer kommt.
  • Wie oben besprochen ist bei sehr niedriger Motordrehzahl, beispielsweise im Leerlauf, nicht ausreichend Abgasenergie vorhanden, um den Turbolader schnell genug anzutreiben, um signifikante Aufladungsniveaus zu erzeugen. Folglich ergibt es eine merkliche Verzögerungszeit zwischen dem Öffnen der Motordrossel und dem Zeitpunkt, wenn der Turbolader schnell genug läuft, um genügend Ladedruck zu erzeugen, um Russ bei der Beschleunigung zu eliminieren. Um das Problem zu überwinden, dass der Kompressor zu langsam läuft, ist ein Elektromotor 56 in dem Lagergehäuse zwischen den Lagern montiert, wobei sein Rotor auf der Welle 16 montiert ist. Eine bevorzug te Bauart eines Elektromotors ist eine, die Permanentmagneten im Rotor hat, um die Probleme der Zuleitung bei hohen Drehzahlen zu vermeiden, die bei dem Motor erwartet werden. Wie in 3 zu sehen, hat die Welle 16 einen Hals 58 mit verringertem Durchmesser, auf dem eine Isolierung 60 angeordnet ist. Vier Magnete 62, 64, 66 und 68 sind um die Isolation herum angeordnet (siehe 2). Die Magneten sind geringfügig voneinander getrennt, um zu verhindern, dass die Polenden aneinander anliegen. Die Magneten sind als die Längssegmente eines zylindrischen Rohrs geformt. Die Länge der Magneten ist so, dass sie den Hals 58 füllen. Ein Bund 70 ist um die Mitte der Magneten herum gespannt, um dabei zu helfen, dass sie der hohen Zentrifugalkraft widerstehen.
  • Eine Ölschleuderstruktur 72, die auf der linken Seite des Motors gezeigt ist, und ihre entsprechende Ölschleuderstruktur 74, die auf der rechten Seite des Motors gezeigt ist, führen jeweils drei Funktionen aus. Eine Ölschleuderscheibe 76 hält das Öl weg vom Motor. Zusätzlich hält eine Dichtung 78 das Öl weg vom Motor. Weiterhin hat der Bund der Ölschleuderstruktur, der die Welle 16 umgibt, eine Ausnehmung 80, die die Enden der Magneten umfasst. Somit umfasst der Bund der Ölschleuderstruktur die Außenseite der Magneten, um die Enden am Platz zu halten, und zwar sowohl in Längsrichtung als auch radial.
  • Der Stator 82 des Elektromotors 56 weist eine Vielzahl von Lamellen auf, wie beispielsweise die Lamellenanordnung 84 aus geeignetem magnetisch permeablem Material. Wie in 2 zu sehen, sind die Lamellenanordnungen ausgebildet, um sechs Pole zu definieren, wie beispielsweise den Pol 86. Die Pole tragen Wicklungen, wie beispielsweise die Wicklung 88 auf dem Pol 86. Diese Wicklungen sind elektrisch zum Äußeren des Motors hin angeschlossen und können in entsprechender Weise selektiv progressiv erregt werden, um ein sich drehendes Magnetfeld um die Welle herum zu erzeugen. Dieses sich drehende Magnetfeld stellt eine Koppelung mit dem Feld der Magneten 62–68 her, die den Rotor des Motors bilden, um die Drehung der Welle 16 zu verursachen. Die Steuerung der Drehzahl des Magnetfeldes steuert die Motordrehzahl.
  • In einer Umgebung dieser Natur ist es sehr wichtig, den Wärmefluss zum Elektromotor zu steuern und die Spitzentemperaturen zu begrenzen, die vom Motor erreicht werden. Die hauptsächliche Wärmequelle ist das Verbrennungsmotorabgas, welches im Turboladersystem in der Schnecke 18 ankommt. Die Schnecke ist direkt am Lagergehäuse 30 montiert, jedoch ist die Befestigung so konfiguriert, dass sie eine minimale Fläche hat, um die Wärmeübertragung von der Schnecke auf das Gehäuse zu reduzieren. Der ringförmige Öldurchlass 38 ist direkt außerhalb der Motorlamellen, und es ist dieser Ölfluss, der den größten Teil der Wärme abführt, die in das Gehäuse 30 kommt. Der ringförmige Durchlass ist nahe am Motor, und der Fluss dort hindurch ist adäquat, um die Temperaturen zu begrenzen, wenn das System im Gleichgewichtsbetrieb ist. Der thermische Isolator 60 verringert die Wärmeübertragung zu den Rotormagneten und durch diese hindurch. Zusätzlich ist das Gasturbinenlaufrad 20 vorzugsweise an einem Thermoisolatornapf 90 befestigt, der auf das Gasturbinenende der Welle 16 gewickelt ist, wie in 1 zu sehen. Das Vorsehen einer thermischen Isolation unter dem Turbinenrotor und unter dem Motorrotormagneten zusammen mit der Ölkühlung durch kontinuierliche Ölzirkulation ist ausreichend, um die Temperatur des Motors während im Wesentlichen gleichmäßigen Bedingungen niedrig zu halten.
  • Ein weiteres Problem erscheint, wenn das System abgeschaltet wird, nachdem es in einem Zustand mit vernünftigem Belastungsgleichgewicht gelaufen ist. Es gibt eine beträchtliche thermische Masse in der Gasturbinenschnecke 18 und im Rotor 20, und diese haben einen Betrieb bei Abgastemperatur ausgeführt. Die Schnecke 18 ist mechanisch mit dem Auslasssystem des Motors verbunden, welches auch heiß ist. Der Turbinenauslass ist mit einem Dämpfer verbunden, jedoch sind Auslassrohre typischer Weise von dünnwandiger Struktur und können somit nicht so viel Wärme wegleiten. Beim Abschalten läuft die Wärme in der thermischen Masse der Abgasturbi nenschnecke in erster Linie in das Lager- und Motorgehäuse 30, um dessen Temperatur anzuheben. Diese Ableitung der Wärme in das Lagergehäuse und den Motor kann diese auf inakzeptabel hohe Temperaturen führen, wenn die Wärme nicht in anderer Weise abgeführt wird. Der Curie-Punkt der Magneten darf nicht überschritten werden, und der Curie-Punkt hängt vom Material ab. Teurere Materialien haben höhere Curie-Punkte. Somit gestattet die Begrenzung der Temperatur auch die Anwendung von weniger teurem Magnetmaterial. Sowohl der Isolator unter dem Gasturbinenlaufrad als auch die Isolation 60 unter dem Magneten begrenzen die Magnettemperatur.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Luftdurchlass 90 durch die Mitte der Welle 16 vorgesehen. Ein Motor 92 treibt eine Luftpumpe 94 an, die Luft durch eine Abschirmung 96 zieht. Die Abschirmung kann ein herkömmlicher Luftfilter sein. Die Luftpumpe liefert Luft durch das nach unten orientierte Rückschlagventil 98 und durch den Arm 100 zur Düse 102. Die Düse 102 liefert Luft durch den Luftdurchlass 90' zum Auslass aus dem Ende der Welle in das Auslassrohr 22. Dies führt Wärme aus der Welle in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung ab, in der die Wärme in die Welle aus der Gasturbinenschnecke eindringt.
  • Während dieses Kühlungssystem zur Lieferung von Luft durch die hohle Welle in erster Linie beim Abschalten nötig ist, um zu verhindern, dass die in das Lagergehäuse eindringende Wärme die Elektromotortemperatur zu hoch anhebt, kann es, da es eingebaut ist, auch während des Betriebs des Turboaufladungssystems betrieben werden. Da komprimierte Luft vom Luftkompressor 14 verfügbar ist, wird sie von der Schnecke 26 abgezapft und durch das Rückschlagventil 104 zum T-Stück 106 geliefert, wo der Fluss in den Durchlass nach unten durch den Arm 100 läuft. Der Zweck der Rückschlagventile 98 und 104 ist, zu verhindern, dass die Luftpumpe 94 Luft zur Schnecke während Zeiten liefert, wo das Turboaufladungssystem abgeschaltet ist, und um zu verhindern, dass die Schnecke Luft zur Luftpumpe 94 während der Betriebszeit des Turboaufladungssystems liefert. Wie oben bemerkt ist die Anwendung dieser hohlen Welle und ihres Luftflusskühlsystems nicht notwendiger Weise abhängig von der anderen Wärmeflusssteuerung und der Temperaturbegrenzungsstruktur. Somit kann jedes davon unabhängig verwendet werden.
  • Diese Erfindung ist in ihrer gegenwärtig als am besten angesehenen Ausführung beschrieben worden, und es ist klar, dass an ihr zahlreiche Modifikationen, Betriebsarten und Ausführungsvarianten vorgenommen werden, die in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims (10)

  1. Turboaufladungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches Folgendes aufweist: ein Gehäuse (30), wobei das Gehäuse (30) erste und zweite beabstandete Lager (32, 34) darin hat, eine Welle (16), die sich durch das Gehäuse (30) und durch die Lager (32, 34) von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende erstreckt, wobei die Welle (16) so konfiguriert ist, dass ein Luftkompressor (14) an dem ersten Ende der Welle (16) montiert werden kann, und dass eine Abgasturbine (12) an dem zweiten Ende der Welle (16) montiert werden kann, um drehbar die Welle (16) in den Lagern (32, 34) anzutreiben; einen Elektromotor (56), der in dem Gehäuse (30) zwischen den Lagern (32, 34) montiert ist, wobei der Elektromotor (56) einen Rotor (62, 64, 66, 68) hat, der auf der Welle (16) montiert ist, und einen Stator (82), der in dem Gehäuse (30) befestigt ist, so dass der Elektromotor (56) erregt werden kann, um die Drehung der Welle (16) auf einer vorausgewählten minimalen Drehzahl zu halten, auch wenn nicht ausreichend Abgas zur Turbine (12) geliefert wird, um eine solche vorgewählte minimale Drehzahl aufrecht zu erhalten, wobei eine solche minimale Drehzahl vorausgewählt ist, um Ladeluft zu einem Motor auf und über der Menge der Ladeluft zu liefern, die von der Abgasturbine (12) alleine geliefert werden könnte; dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (16) einen Luftdurchlass (90') dort hindurch vom ersten Ende zum zweiten Ende hat, wobei das Turboaufladungssystem weiter Mittel (92, 102) aufweist, um Luft durch den Luftdurchlass (90') der Welle (16) von dem ersten Ende zum zweiten Ende zu liefern, auch wenn die Welle (16) sich nicht dreht, um Wärme vom Rotor (62, 64, 66, 68) des Elektromotors (56) abzuführen.
  2. Turboaufladungssystem nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (30) Strömungsdurchlässe (38, 40, 42) darin benachbart zum Stator (82) hat, um den Stator (82) zu kühlen.
  3. Turboaufladungssystem nach Anspruch 2, wobei die Strömungsmitteldurchlässe Öldurchlässe (38, 40, 42) sind, und wobei die Öldurchlässe (38, 40, 42) auch angeschlossen sind, um die Lager (32, 34) zu schmieren.
  4. Turboaufladungssystem nach Anspruch 1, wobei der Rotor (62, 64, 66, 68) des Elektromotors (56) an der Welle (16) befestigt ist; wobei das Turboaufladungssystem weiter eine erste thermische Isolation (60) zwischen dem Rotor (62, 64, 66, 68) des Elektromotors (56) und der Welle (16) aufweist.
  5. Turboaufladungssystem nach Anspruch 4, wobei der Rotor des Elektromotors (56) eine Vielzahl von Magneten (62, 64, 66, 68) aufweist, die jeweils im Wesentlichen als ein Längssegment eines zylindrischen Rohrs geformt sind.
  6. Turboaufladungssystem nach Anspruch 5, wobei ein erster Bund (72, 74, 80) an der Welle (16) benachbart zu jedem Ende der Magneten (62, 64, 66, 68) montiert ist, wobei der erste Bund (72, 74, 80) die Magneten (62, 64, 66, 68) umfasst, um sie auf der Welle (16) zu halten.
  7. Turboaufladungssystem nach Anspruch 6, welches weiter einen zweiten Bund (70) um die Magneten (62, 64, 66, 68) im Wesentlichen in ihrer Mitte aufweist.
  8. Turboaufladungssystem nach Anspruch 1, wobei ein Gasturbinenrotor (20) an dem zweiten Ende der Welle (16) montiert ist; wobei das Turboaufladungssystem weiter eine zweite thermische Isolation (90) auf weist, die zwischen dem Gasturbinenrotor (20) und dem zweiten Ende der Welle (16) positioniert ist, um eine Wärmeübertragung von dem Gasturbinenrotor (20) auf die Welle (16) zu behindern.
  9. Turboaufladungssystem nach Anspruch 8, wobei die Mittel (92, 102) zur Lieferung von Luft durch den Luftdurchlass (90') eine Luftpumpe (92) aufweisen, so dass Luft durch die Welle (16) auch dann geliefert werden kann, wenn die Welle (16) sich nicht dreht.
  10. Turboaufladungssystem nach Anspruch 9, wobei die Mittel (92, 102) zur Lieferung von Luft durch den Luftdurchlass (90') weiter eine Düse (102) benachbart zum ersten Ende der Welle (16) aufweisen, wobei die Düse (102) Luft durch den Luftdurchlass (90') aus dem zweiten Ende der Welle (16) liefert.
DE69636906T 1995-09-18 1996-09-16 Turbolader mit eingebautem elektrischen hilfsmotor und kühleinrichtung dafür Expired - Fee Related DE69636906T2 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US529672 1995-09-18
US08/529,672 US5605045A (en) 1995-09-18 1995-09-18 Turbocharging system with integral assisting electric motor and cooling system therefor
PCT/US1996/015246 WO1997011263A1 (en) 1995-09-18 1996-09-16 Turbocharging system with integral assisting electric motor and cooling system therefor

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Publication Number Publication Date
DE69636906D1 DE69636906D1 (de) 2007-03-29
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