WO2005119882A1 - Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb eines abgasturboladers - Google Patents

Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine und verfahren zum betrieb eines abgasturboladers Download PDF

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WO2005119882A1
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WO
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gas turbocharger
exhaust gas
flywheel
pole structure
disk
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PCT/EP2005/003097
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Markus Duesmann
Matthias Gregor
Jens Meintschel
Thomas Stolk
Alexander Von Gaisberg-Helfenberg
Original Assignee
Daimlerchryler Ag
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    • F02B39/00—Component parts, details, or accessories relating to, driven charging or scavenging pumps, not provided for in groups F02B33/00 - F02B37/00
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    • F02B39/08—Non-mechanical drives, e.g. fluid drives having variable gear ratio
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    • F02B37/10—Engines with exhaust drive and other drive of pumps, e.g. with exhaust-driven pump and mechanically-driven second pump at least one pump being alternatively or simultaneously driven by exhaust and other drive, e.g. by pressurised fluid from a reservoir or an engine-driven pump
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    • F02B39/02—Drives of pumps; Varying pump drive gear ratio
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine and a method for operating an exhaust gas turbocharger according to the preamble of claim 1 and claim 15, respectively.
  • Exhaust gas turbochargers are used in both spark-ignited and self-igniting internal combustion engines to increase the cylinder charge.
  • the increase in cylinder charge leads to an increase in the combustion air ratio and thus in auto-ignition internal combustion engines to a reduction in soot formation in the lower and medium load and speed range and, depending on the combustion temperature, can result in a reduction in nitrogen oxide emissions.
  • Exhaust gas turbochargers generally consist of two turbomachines coupled via a fixed shaft, a turbine which is acted upon by the expanding exhaust gas mass flow of the internal combustion engine and a compressor which is driven by the turbine via the fixed shaft and compresses the air drawn in. Since turbomachines have a different operating behavior than internal combustion engines, the exhaust gas turbocharger and / or its periphery should be considered Design that the exhaust gas turbocharger provides sufficient air for the desired operating behavior of the internal combustion engine, both in the low and in the upper load and speed range.
  • the exhaust gas turbocharger Due to its moment of inertia, the exhaust gas turbocharger responds with a delay when the load and / or speed of the internal combustion engine suddenly increases. This delayed response is known under the common name "turbo lag" and is characterized in that the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine provides too little air for the corresponding operating point. In addition to insufficient acceleration, the poor response behavior in transient operation of the internal combustion engine results in high fuel consumption, which can be reduced by eliminating the poor response behavior.
  • the exhaust gas turbocharger is designed for the nominal power point of the internal combustion engine, it is usually too large for a quick response in the lower and medium load and speed range and, due to its moment of inertia, delivers unsatisfactory results of the operating behavior of the internal combustion engine with regard to engine torque, agility and consumption , Different approaches attempt to improve the response behavior of the exhaust gas turbocharger in the range mentioned.
  • One of the approaches is the coupling of the exhaust gas turbocharger with an electrical machine.
  • the electrical machine is rigidly connected to the exhaust gas turbocharger and accelerates it if necessary.
  • the power required for a four-cylinder engine, for example, is around 1-2 kW.
  • Current vehicle electrical systems are reaching their performance limits.
  • a large part of the energy fed in serves the self-acceleration of the electrical machine.
  • the rotor of the electrical machine connected to the exhaust gas turbocharger reduces the dynamics of the exhaust gas turbocharger in the unsupported operating range due to its moment of inertia.
  • An exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine emerges from the generic EP 0 345 991 B1.
  • the exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine and a compressor.
  • the turbine and the compressor are rotatably connected to each other via a shaft.
  • the exhaust gas turbocharger has an electrical machine that can be connected to it via a clutch.
  • the exhaust gas turbocharger includes a generator which can be operated by the internal combustion engine via a clutch located between the generator and the internal combustion engine.
  • the electrical energy generated is supplied to the rotating electrical machine, which then works as an electric motor and drives the exhaust gas turbocharger.
  • the compressor is operated in a map area in which it provides the internal combustion engine with the operating points adapted and sufficient amounts of air.
  • the generator is connected to the crankshaft of the internal combustion engine via a clutch, so that an increased torque occurs on the crankshaft of the internal combustion engine. The consequence of this is an increase in consumption while the effective mean pressure of the internal combustion engine remains the same.
  • the object of the invention is to couple an exhaust gas turbocharger to an electrical machine in such a way that the exhaust gas turbocharger is accelerated with a low energy requirement and has a small installation space. Furthermore, the transient response behavior of the exhaust gas turbocharger is to be improved and excess energy of the exhaust gas turbocharger is to be used.
  • the exhaust gas turbocharger can be driven by a disk-shaped flywheel.
  • the power required to accelerate the exhaust gas turbocharger does not have to be applied by an electrical machine, since the energy required to accelerate the exhaust gas turbocharger is transmitted to the exhaust gas turbocharger by the rotational energy of the flywheel with a high power density. If necessary, the connection between the flywheel and the exhaust gas turbocharger is established or released via the clutch.
  • the clutch is composed of a disk connected in a rotationally fixed manner to a shaft of the exhaust gas turbocharger, a pole structure, a yoke and a coil.
  • the flywheel can be driven by an electrical machine.
  • the electrical machine compensates for the friction losses that occur on the flywheel. If necessary, it can accelerate the flywheel or generate energy. The occurring The power required to compensate for the frictional losses or to accelerate the flywheel mass is low, so that the load on the vehicle electrical system is negligible.
  • the flywheel comprises the pole structure to increase the effective flywheel mass.
  • the pole structure forms part of the clutch, via which the exhaust gas turbocharger can be coupled to the flywheel or the electrical machine.
  • the pole structure has at least two disks for a functionally reliable clutch.
  • the disks of the pole structure are constructed in a ring shape for weight reasons. If the exhaust gas turbocharger is accelerated by the centrifugal mass, a large centrifugal mass is desirable. However, the flywheel itself must be accelerated before it can accelerate the exhaust gas turbocharger. In contrast, a small mass is desired in this process. Therefore, a ring shape, as it has the pole structure, is the advantageous weight-favorable design.
  • a disk is arranged as a component of the clutch between the disks of the pole structure and is connected non-rotatably to the shaft of the exhaust gas turbocharger.
  • the disks of the pole structure have a tooth structure with teeth and tooth gaps, the teeth of one disk being opposite the tooth gaps of the other disk.
  • the tooth structure and In particular, the opposite positioning of the teeth and the tooth gaps are necessary for the design of a functionally reliable coupling, since an induced magnetic flux can be divided and deflected in the disk positioned between the two disks of the pole structure due to this configuration and exerts a torque on the disk due to the deflection ,
  • the two disks of the pole structure are held together by means of a non-magnetizable tension band. Due to the centrifugal forces that occur during a rotational movement, a deformation of the two disks can occur. A functionally reliable coupling could not be guaranteed without a strap.
  • the non-magnetizable tensioning strap holds the two disks together, even at high speeds, so that the two disks are at a parallel distance from one another. This ensures a reliable coupling.
  • the flywheel is composed of a rotor of the electrical machine, a disk, a piece of pipe and the pole structure.
  • the pole structure is rotatably connected to the rotor of the electrical machine via the disk and the pipe section.
  • the clutch between the compressor and the turbine of the exhaust gas turbocharger is arranged to advance the electrical machine high temperatures and to protect the compressor from oil ingress.
  • the clutch is a vortex power clutch or a hysteresis clutch. This offers the advantage that wear-free operation and good electrical controllability can be achieved.
  • the flywheel mass is kept as possible at a minimum speed, which corresponds to a nominal speed, via the electrical machine or via the exhaust gas turbocharger, in order to ensure sufficient rotational energy of the flywheel mass when the exhaust gas turbocharger is accelerating.
  • the electric machine does not become active for driving the flywheel mass, but takes up the excess energy on the exhaust gas turbocharger as a generator and feeds it the energy obtained, for example, in a motor vehicle electrical system, the drive of the flywheel being maintained via the exhaust gas turbocharger.
  • Exhaust gas turbocharger speed is less than the nominal speed of the flywheel, the electric machine for accelerating the flywheel is only used when the speed of the flywheel falls below its nominal speed to become one to ensure sufficient rotational energy of the flywheel later.
  • the flywheel mass is accelerated by the exhaust gas turbocharger when the clutch is closed in operating areas in which the exhaust gas turbocharger speed corresponds to at least the nominal speed of the flywheel mass, so that the electrical machine can be switched off for energy-saving measures.
  • the exhaust gas turbocharger is driven by the flywheel in operating ranges in which the exhaust gas turbocharger speeds are lower than the flywheel mass speeds.
  • Fig. 3 is a perspective section of a pole structure of the exhaust gas turbocharger
  • FIG. 4 shows a development of the pole structure with magnetic flux lines and magnetic poles that appear during operation with a coil through which current flows.
  • 1 shows an exhaust gas turbocharger 1 of an internal combustion engine (not shown in more detail), for example an Otto or a diesel engine.
  • the internal combustion engine which is preferably used in motor vehicle construction, has an intake tract, not shown, with, for example, inlet valves via which air is fed to a combustion chamber of the internal combustion engine, which is not shown in detail.
  • the air is used to burn fuel, which is either added to the air outside the combustion chamber or inside the combustion chamber.
  • the fuel-air mixture in the combustion chamber is then burned.
  • the combustion of the fuel-air mixture produces exhaust gas, which passes from the combustion chamber into an exhaust tract, not shown, for example, through exhaust valves (not shown). Part of the exhaust gas energy can now be used to increase the air supply to the combustion chamber by installing the exhaust gas turbocharger 1 in the air circuit of the internal combustion engine.
  • a turbine 3 of the exhaust gas turbocharger 1 is provided downstream of the exhaust valves in the exhaust tract of the internal combustion engine, and a compressor 2 of the exhaust gas turbocharger 1 is accommodated downstream of the intake valves in the intake tract of the internal combustion engine.
  • the turbine 3 is driven by the exhaust gas of the internal combustion engine and drives the compressor 2 via a shaft 4, so that air can be sucked in and compressed by the compressor 2.
  • the shaft 4 has an axis of rotation 40.
  • the rotating components of the exhaust gas turbocharger 1, such as the compressor 2, the turbine 3 and the shaft 4 are supported in a housing of the exhaust gas turbocharger 1 (not shown in more detail) by means of bearings (not shown in more detail).
  • an electrical machine 20 Arranged on the shaft 4 between the compressor 2 and the turbine 3 are an electrical machine 20, a clutch 5 connecting the electrical machine 20 to the shaft 4 of the exhaust gas turbocharger 1 and a flywheel 10 driving the exhaust gas turbocharger 1.
  • the electrical machine 20 is rotatably connected to the clutch 5.
  • the electrical machine 20 is composed of a cylindrical rotor 21 and a stator 23 surrounding the rotor 21.
  • the axis of rotation 40 of the shaft 4 corresponds to a axis of rotation 41 of the rotor 21.
  • a bearing 50 is provided, for example a plain bearing, which enables the rotor 21 to rotate independently of a speed of the shaft 4 Rotating speed different from the speed of shaft 4.
  • the electrical machine 20 is connected to a motor vehicle electrical system 100 of the internal combustion engine.
  • the clutch 5 arranged on the compressor side is composed of a first disk 11 connected in a rotationally fixed manner to the shaft 4 of the exhaust gas turbocharger 1, a pole structure 31 delimiting the first disk 11, a yoke 15 encasing the pole structure 31 and a coil 30 accommodated in the yoke 15.
  • the pole structure 31 can also be referred to as a rotating element of the clutch 5.
  • Rotating parts of the coupling 5 are disc-shaped, so that only tensile stresses can arise in the material due to the centrifugal force.
  • the shaft 4, the clutch 5 and the rotor 21 have the same axis of rotation 40.
  • the yoke 15 sheathing the pole structure 31 consists of two round, disk-shaped covers, a first cover 151 and a second cover 152, the covers 151, 152 having a first collar 155 and a second collar 156 arranged perpendicular to a plane of the cover.
  • a first round opening 153 or a second round opening 154 for receiving the shaft 4 is made in the center of the covers 151, 152.
  • the covers 151, 152 are positioned in mirror image relative to one another, so that a first end face 157 of the first collar 155 borders a second end face 158 of the second collar 156.
  • the mutually facing end faces 157, 158 are firmly connected to one another after assembly, for example by welding or soldering.
  • the yoke 15 is made in two parts for assembly reasons. It could also be designed in such a way that the two openings 153 and 154 of the covers 151, 152 have a diameter in the order of the diameter of the shaft 4 for the friction-free reception of the shaft 4. Bearings of the shaft 4 could also be integrated in the openings 153, 154 of the yoke 15.
  • the yoke 15 receives the pole structure 31.
  • the pole structure 31 is constructed in three parts.
  • a first part of the pole structure 31 forms a first annular disk 32 having a tooth structure 44 with an outer diameter D R ⁇ and a cavity 37 with a diameter Du shown in more detail in FIG. 1.
  • a second part of the pole structure 31 shown in FIG. 2 forms a second ring disk 36 with an outer diameter D R2 , which also has the tooth structure 44.
  • the first disk 11, which is non-rotatably connected to the shaft 4, is arranged between the first annular disk 32 and the second annular disk 36.
  • the first ring disk 32 and the second ring disk 36 are held together on their periphery by a third part of the pole structure 31, a non-magnetizable tensioning band 38, such that their disk surfaces are arranged parallel to one another. If the tension band 38 were not present, centrifugal forces occurring during operation of the clutch 5 could deform the two ring disks 32, 36, so that the coupling function of the clutch 5 could no longer be guaranteed.
  • a radial indentation 13 is provided in the tension band 38 opposite the first disk 11.
  • the outside diameter D Ri of the first ring disk 32 and the outside diameter D R2 of the second ring disk 36 correspond to the outside diameter D s of the first disk 11.
  • An inside diameter D JOCh of the yoke 15 is larger than an outside diameter D Po ⁇ of the pole structure 31, so that an annular space 18 remains recessed in the yoke 15.
  • This existing annular space 18 is provided for receiving the coil 30.
  • the coil 30 accommodated in the yoke 15 serves to generate a magnetic field. For this purpose, the coil 30 is supplied with power by the motor vehicle electrical system 100.
  • An air gap 52 is present between the rotatable pole structure 31 and the yoke 15 and between the tension band 38 rotating with the pole structure 31 and the coil 30.
  • the air gap 52 prevents friction between the pole structure 31 and the yoke 15 or between the tension band 38 and the coil 30.
  • the electrical machine 20 is connected to the clutch 5 by a second disk 35 that receives the shaft 4 and a tube piece 34 receiving the shaft 4 and connected to the second disk 35 in a rotationally fixed manner.
  • One end of the pipe section 34 facing the electrical machine 20 is connected in a rotationally fixed manner to the rotor 21.
  • One end of the pipe section 34 facing the coupling 5 is connected in a rotationally fixed manner to the second disk 35.
  • the second washer 35 is connected to the first washer 32 in a rotationally fixed manner, such that the first washer 32 receives the second washer 35 in its cavity 37.
  • the second disk 35 has an opening 49 for receiving the shaft 4.
  • the rotationally fixed reception of the second disk 35 in the cavity 37 of the first ring disk 32 can take place, for example, by positive locking.
  • the first washer 32 and the second washer 35 could also be made in one piece and the second washer 35 could then also have the tooth structure 44 corresponding to the first washer 32.
  • the tooth structure 44 on the second disk 35 would have no function since there would be no tooth structure 44 on the second ring disk 36, but this would be easier to manufacture than a disk with a toothed ring having the toothed structure 44 and a surface surrounded by the toothed ring without a toothed structure 44th
  • An air gap 51 is formed between the first disk 11 and the pole structure 31.
  • the air gap 51 on the one hand prevents friction between the annular disks 32, 36 and the first disk 11 or between the tensioning band 38 and the first disk 11 and on the other hand serves as a carrier of a magnetic flux 54 induced by the coil 30.
  • the pole structure 31 could also be constructed in one or two parts. The mounting options of the first disk 11 arranged between the annular disks 32, 36 must be observed.
  • a section of the pole structure 31 of the exhaust gas turbocharger 1 is shown in FIG. 3.
  • the first and the second annular disk 32, 36 have a tooth structure 44 with teeth 45 and tooth gaps 46 adjacent to the teeth 45 on their surfaces respectively facing the first disk 11.
  • the teeth 45 have a tooth height H z axially and a tooth length L z in the circumferential direction.
  • the tooth structure 44 of the first and second annular disk 32, 36 is designed such that the teeth 45 of the first annular disk 32 lie opposite the tooth gaps 46 of the second annular disk 36.
  • FIG. 4 shows a development of the pole structure 31 with the magnetic flux 54 and magnetic poles 53 that occur during operation when the coil 30 is current-carrying.
  • the magnetic flux 54 is induced by the current-carrying coil 30, not shown.
  • the magnetic poles 53 form in the teeth 45 of the first ring disk 32 and the second ring disk 36. Due to the direction of flow of the magnetic flux 54, the poles 53 can be divided into north and south poles, identified by N and S in FIG. 4. If the coil 30 does not flow through current, no magnetic flux 54 is induced.
  • the north pole is formed in the first ring disk 32 and the south pole in the second ring disk 36.
  • the first disk 11 positioned between the two ring disks 32, 36 is flowed through by the magnetic flux 54.
  • the first disk 11 rotates at a rotational speed which is different from a rotational speed of the annular disks 32, 36 of the pole structure 31
  • a change in the magnetization (remagnetization) of the first occurs Disc 11 on.
  • the first disk 11 consists of semi-hard material which has a pronounced hysteresis loop in a flux density B - field strength H diagram, abbreviated to B-H diagram.
  • the pole structure 31 is made of soft magnetic material, for example iron. Due to the offset teeth 45 of the pole structure 31, the magnetic flux 54 flowing through each pole 53 is divided into two parts and partly crosses the first disk 11 in the tangential direction.
  • the first disk 11 made of the magnetically semi-hard material is magnetized. Ideally, the directions of the two partial flows originating from a pole 53 are offset from one another by 180 degrees.
  • the magnetic flux 54 flows through the point which has just been magnetized in the first disk 11 in exactly the other direction.
  • the first disc 11 is magnetized in the opposite direction.
  • the work done due to the magnetization corresponds to the area of a hysteresis loop and is called magnetization work.
  • an electrically conductive material such as iron, copper or aluminum must be used for the first disk 11.
  • a locally induced magnetic field of the magnetic flux 54 is changed in its strength and in its direction.
  • the eddy currents induced locally by the changes in the magnetic field and perpendicular to the magnetic field in turn build up magnetic fields which are directed in the opposite direction to the applied magnetic field.
  • the clutch 5 is closed.
  • the torque that is set depends on the relative speed of the first disk 11 and the pole structure 31, that is to say that no speed adjustment of the first disk 11 and the pole structure 31 is possible.
  • the material used in eddy current clutches is advantageously more resistant to speed than the material of the hysteresis clutches.
  • the coil 30 and the stator 23 are arranged at rest and the magnetic flux 54 is transmitted into the pole structure 31 via the air gap 52.
  • the first ring disk 32 and the second ring disk 36 which are connected to the rotor 21 via the pipe section 34 and the second disk 35, are held together by the tensioning band 38 and are subjected to a pure tensile stress due to the centrifugal force acting through the rotation.
  • the rotatable rotor 21, which is excited by the electrical machine 20 to produce a permanent rotary movement, the rotatable pole structure 31 and the parts which represent the rotationally fixed connection between the rotor 21 and the pole structure 31, the pipe section 34 and the second section which is connected in a rotationally fixed manner to the pipe section 34 Disc 35 represent the flywheel mass 10.
  • the flywheel mass 10 is connected to the exhaust gas turbocharger 1 via the clutch 5 if necessary.
  • the electrical machine 20 has to produce a power of approximately 100 W, which, in contrast to the prior art, significantly reduces the electrical power requirement Accelerating the exhaust gas turbocharger 1 is achieved.
  • a further reduction in the energy requirement can be achieved by reducing, for example, the friction losses in the bearings (not shown in more detail) and / or reducing the air resistance of the flywheel mass 10.
  • the decrease in air resistance of the Inertia 10 can be achieved, for example, by filling the tooth gaps 46 of the pole structure 31 with non-magnetizable material. By filling the tooth gaps 46 with non-magnetizable material, the noise emission can be kept low.
  • the clutch 5 is opened and the exhaust-gas turbocharger 1 is not coupled to the electric machine 20th Because of the low frictional losses and the high rotational energy stored in the flywheel 10, the flywheel 10 rotates at speeds that are greater than a nominal speed n K of the flywheel 10. The flywheel 10 is not coupled to the electrical machine 20, that is, it rotates without energy supply from the electrical machine 20.
  • the electric machine 20 drives the flywheel 10.
  • the power to be applied by the electrical machine 20 must be sufficient to overcome bearing friction losses and air resistance.
  • the flywheel 10 When the internal combustion engine is operating at a high partial load L Te ii h and a low speed nki e i n , the flywheel 10 is connected to the exhaust gas turbocharger 1 via the then closed clutch 5 coupled and is operated at the corresponding speed of the exhaust gas turbocharger 1 n ATD .
  • the electrical machine 20 is switched off in this case.
  • the internal combustion engine is in an operation with high part load L Te iih with high speeds n large or at full load Lv o ii 10 is coupled to the turbocharger 1, the flywheel mass and is compared with the corresponding speed ATL n of the turbocharger 1 is operated.
  • the speed n ATL of the exhaust gas turbocharger 1 is greater than the continuous nominal speed n account of the flywheel 10, such that energy is obtained via the electrical machine 20 and is fed, for example, into the vehicle electrical system 100.
  • the clutch 5 is closed and the flywheel mass 10 accelerates the exhaust gas turbocharger 1.
  • the nominal speed n ⁇ ont s of the flywheel mass 10 can decrease until the electric machine 20 drives the flywheel mass 10 again, so that the nominal speed n ⁇ nt s of the flywheel 10 is reached again.
  • the flywheel mass 10 is decoupled from the exhaust gas turbocharger 1.
  • the flywheel 10 In the overrun mode of the internal combustion engine at high speeds, the flywheel 10 first rotates freely and is driven by the electric machine 20 after a certain time, as soon as its speed n s is below the nominal speed n K ⁇ n t s, such that the flywheel mass 10 has the nominal speed n cont s. '

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter (2) und einer Turbine (3), mit einer Welle (4) , die den Verdichter (2) und die Turbine (3) drehfest miteinander verbindet, mit einer elektrischen Maschine (20), die über eine Kupplung mit dem Abgasturbolader (5) verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist der Abgasturbolader (1) zumindest zeitweise von einer scheibenförmigen Schwungmasse (10) antreibbar. Die Erfindung eignet sich zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Abgasturboladers (1) und wird überwiegend im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 15.
Abgasturbolader werden sowohl bei fremdgezündeten als auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zur Erhöhung der Zylinderladung eingesetzt. Die Erhöhung der Zylinderladung führt neben einer Leistungssteigerung zu einer Steigerung des Verbrennungsluf verhältnisses und damit bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen zu einer Reduzierung der Rußbildung im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich und kann, je nach Verbrennungstemperatur, eine Reduzierung der Stickoxidemission zur Folge haben.
Abgasturbolader bestehen in der Regel aus zwei, über eine feste Welle gekoppelte Strömungsmaschinen, einer Turbine, die über den expandierenden Abgasmassenstrom der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird und einem Verdichter, der über die feste Welle von der Turbine angetrieben wird und angesaugte Luft komprimiert . Da Strömungsmaschinen ein anderes Betriebsverhalten als Brennkraftmaschinen aufweisen, gilt es den Abgasturbolader und/oder seine Peripherie so zu gestalten, dass sowohl im niedrigen als auch im oberen Last- und Drehzahlbereich für das gewünschte Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine vom Abgasturbolader ausreichend Luft zur Verfügung gestellt wird.
Der Abgasturbolader reagiert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes bei plötzlicher Steigerung der Last und/oder Drehzahl der Brennkraftmaschine verzögert. Dieses verzögerte Ansprechverhalten ist unter dem geläufigen Namen "Turboloch" bekannt und zeichnet sich dadurch aus, dass der Abgasturbolader der Brennkraftmaschine für den entsprechenden Betriebspunkt zu wenig Luft zur Verfügung stellt. Das schlechte Ansprechverhalten bewirkt im Instationärbetrieb der Brennkraftmaschine neben einer ungenügenden Beschleunigung einen hohen Kraftstoffverbrauch, der mit der Beseitigung des schlechten Ansprechverhaltens reduziert werden kann.
Wird der Abgasturbolader für den Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine ausgelegt, so ist er in der Regel für ein schnelles Ansprechen im unteren und mittleren Last- und Drehzahlbereich zu groß ausgelegt und liefert aufgrund seines Massenträgheitsmomentes unbefriedigende Ergebnisse des Betriebsverhaltens der Brennkraftmaschine hinsichtlich Motor- Drehmoment, Agilität und Verbrauch. Unterschiedliche Ansätze versuchen das Ansprechverhalten des Abgasturboladers im genannten Bereich zu verbessern.
Einer der Ansätze ist dabei die Kopplung des Abgasturboladers mit einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist starr mit dem Abgasturbolader verbunden und beschleunigt diesen bei Bedarf. Die erforderlichen Leistungen liegen für beispielsweise einen Vierzylindermotor bei etwa 1-2 kW. Aktuelle Kraftfahrzeug-Bordnetze stoßen dabei an ihre Leistungsgrenze. Ein großer Teil der eingespeisten Energie dient der Eigenbeschleunigung der elektrischen Maschine. Der mit dem Abgasturbolader verbundene Läufer der elektrischen Maschine reduziert aufgrund seines Trägheitsmomentes die Dynamik des Abgasturboladers im nichtunterstützten Betriebsbereich .
Aus der gattungsbildenden EP 0 345 991 Bl geht ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine hervor. Der Abgasturbolader weist eine Abgasturbine und einen Verdichter auf. Die Turbine und der Verdichter sind über eine Welle drehfest miteinander verbunden. Eine elektrische Maschine, die über eine Kupplung mit dem Abgasturbolader verbindbar ist. Weiterhin weist der Abgasturbolader eine elektrische Maschine auf, die über eine Kupplung mit ihm verbunden werden kann.
Der Abgasturbolader schließt einen Generator ein, der durch die Brennkraftmaschine über eine zwischen Generator und Brennkraftmaschine liegende Kupplung betreibbar ist. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird an die rotierende elektrische Maschine geliefert, die dann als Elektromotor arbeitet und den Abgasturbolader antreibt. Infolge des Antriebs des Abgasturboladers und der damit einhergehenden Steigerung der Abgasturboladerdrehzahl wird der Verdichter in einem Kennfeldbereich betrieben, in dem er der Brennkraftmaschine den Betriebspunkten angepasste und ausreichende Luftmengen zur Verfügung stellt . Dabei wird der Generator über eine Kupplung mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden, sodass an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein erhöhtes Moment auftritt . Die Folge davon ist eine Erhöhung des Verbrauches bei gleichbleibendem effektiven Mitteldruck der Brennkraftmaschine. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader derart mit einer elektrischen Maschine zu koppeln, dass der Abgasturbolader bei geringem Energiebedarf beschleunigt wird und einen geringen Bauraum aufweist . Des Weiteren soll das transiente Ansprechverhalten des Abgasturboladers verbessert und überschüssige Energie des Abgasturboladers genutzt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Erfindungsgemäß ist der Abgasturbolader von einer scheibenförmigen Schwungmasse antreibbar. Der zur Beschleunigung des Abgasturboladers anfallende Leistungsbedarf muss nicht von einer elektrischen Maschine aufgebracht werden, da die zur Beschleunigung des Abgasturboladers notwendige Energie von der Rotationsenergie der Schwungmasse mit hoher Leistungsdichte auf den Abgasturbolader übertragen wird. Bei Bedarf wird die Verbindung zwischen Schwungmasse und Abgasturbolader über die Kupplung hergestellt beziehungsweise gelöst.
In einer Ausführung nach Anspruch 2 setzt sich die Kupplung aus einer drehfest mit einer Welle des Abgasturboladers verbundenen Scheibe, einer PolStruktur, einem Joch und einer Spule zusammen.
In einer Ausführung nach Anspruch 3 ist die Schwungmasse von einer elektrischen Maschine antreibbar. Die elektrische Maschine kompensiert die an der Schwungmasse auftretenden Reibungsverluste. Bei Bedarf kann sie die Schwungmasse beschleunigen oder Energie erzeugen. Der auftretende Leistungsbedarf zur Kompensierung der Reibungsverluste beziehungsweise zur Beschleunigung der Schwungmasse ist gering, sodass die Belastung des Bordnetzes vernachlässigbar ist .
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 4 umfasst die Schwungmasse zur Erhöhung der wirksamen Schwungmasse die Polstruktur. Daneben stellt die Polstruktur ein Teil der Kupplung dar, über die der Abgasturbolader an die Schwungmasse oder die elektrische Maschine koppelbar ist.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 5 weist die Polstruktur mindestens zwei Scheiben für eine funktionssichere Kupplung auf.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 6 sind die Scheiben der Polstruktur aus Gewichtsgründen ringförmig aufgebaut. Wird der Abgasturbolader von der Schwungmasse beschleunigt, so ist eine große Schwungmasse erwünscht. Allerdings muss die Schwungmasse selbst, bevor sie den Abgasturbolader beschleunigen kann, beschleunigt werden. Bei diesem Vorgang ist hingegen eine kleine Masse erwünscht. Daher ist eine Ringform, wie sie die Polstruktur aufweist, die vorteilhaft gewichtsgünstige Bauform.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 7 ist zwischen den Scheiben der PolStruktur eine drehfest mit der Welle des Abgasturboladers verbundene Scheibe als Bauteil der Kupplung angeordnet .
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 8 weisen die Scheiben der PolStruktur eine Zahnstruktur mit Zähnen und Zahnlücken auf, wobei die Zähne einer Scheibe den Zahnlücken der anderen Scheibe gegenüberliegen. Die Zahnstruktur und insbesondere die gegenüberliegende Positionierung der Zähne und der Zahnlücken sind zur Gestaltung einer funktionssicheren Kupplung notwendig, da ein induzierter magnetischer Fluss aufgrund dieser Gestaltung in der zwischen den beiden Scheiben der Polstruktur positionierten Scheibe teilbar ist und umgelenkt wird und durch die Umlenkung ein Drehmoment auf die Scheibe ausübt .
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 9 werden die beiden Scheiben der Polstruktur über ein nicht magnetisierbares Spannband zusammengehalten. Aufgrund der bei einer Rotationsbewegung auftretenden Fliehkräfte kann eine Deformation der beiden Scheiben eintreten. Eine funktionssichere Kupplung könnte ohne Spannband nicht gewährleistet sein. Das nicht magnetisierbare Spannband hält die beiden Scheiben auch bei hohen Drehzahlen so zusammen, dass die beiden Scheiben einen parallelen Abstand voneinander aufweisen. Dadurch ist eine funktionssichere Kupplung gewährleistet .
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 10 setzt sich aus Gewichts- und Bauraumgründen die Schwungmasse aus einem Läufer der elektrischen Maschine, einer Scheibe, einem Rohrstück und der PolStruktur zusammen.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 11 ist zum einen zur Erhöhung der wirksamen Schwungmasse und zum anderen zur Erhöhung der Schwungmassendrehzahl die Polstruktur über die Scheibe und dem Rohrstück mit dem Läufer der elektrischen Maschine drehfest verbunden.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 12 ist die Kupplung zwischen dem Verdichter und der Turbine des Abgasturboladers angeordnet, um die elektrische Maschine vor hohen Temperaturen und den Verdichter vor Öleintritt zu schützen.
In einer weiteren Ausführung nach Anspruch 13 ist die Kupplung eine WirbelStromkupplung oder eine Hysteresekupplung. Dies bietet den Vorteil, dass ein verschleißfreier Betrieb und eine gute elektrische Ansteuerbarkeit erreichbar sind.
In einer Ausführung nach Anspruch 14 wird die Schwungmasse über die elektrische Maschine oder über den Abgasturbolader möglichst auf einer Mindestdrehzahl, die einer Nenndrehzahl entspricht, gehalten, um bei Beschleunigung des Abgasturboladers ausreichend Rotationsenergie der Schwungmasse sicher zu stellen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Abgasturboladers nach Anspruch 15 wird bei einer Abgasturboladerdrehzahl, die größer ist als eine Nenndrehzahl der Schwungmasse, die elektrischen Maschine nicht zum Antrieb der Schwungmasse aktiv, sondern nimmt die am Abgasturbolader überschüssige Energie in seiner Wirkungsweise als Generator auf und speist die gewonnene Energie beispielsweise in ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, wobei der Antrieb der Schwungmasse über den Abgasturbolader aufrecht erhalten wird.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 16 wird zur Beschleunigung des Abgasturboladers in den Betriebsbereichen, in denen die
Abgasturboladerdrehzahl kleiner ist als die Nenndrehzahl der Schwungmasse, die elektrische Maschine zur Beschleunigung der Schwungmasse nur dann eingesetzt, wenn die Drehzahl der Schwungmasse unter ihre Nenndrehzahl fällt, um zu einem späteren Zeitpunkt ausreichend Rotationsenergie der Schwungmasse sicher zu stellen.
In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 17 wird in Betriebsbereichen, in denen die Abgasturboladerdrehzahl mindestens der Nenndrehzahl der Schwungmasse entspricht, die Schwungmasse vom Abgasturbolader bei geschlossener Kupplung beschleunigt, damit aus energiesparenden Maßnahmen die elektrische Maschine abgeschaltet werden kann.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 18 wird in Betriebsbereichen, in denen die Abgasturboladerdrehzahlen kleiner sind als die Schwungmassendrehzahlen, der Abgasturbolader von der Schwungmasse angetrieben.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers ,
Fig. 3 einen perspektivischen Ausschnitt einer Polstruktur des Abgasturboladers und
Fig. 4 eine Abwicklung der Polstruktur mit eingezeichneten, im Betrieb bei stromdurchflossener Spule auftretenden Magnetflusslinien und Magnetpolen. In Fig. 1 ist ein Abgasturbolader 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine, beispielsweise ein Ottooder ein Dieselmotor, dargestellt. Die Brennkraftmaschine, sie wird bevorzugt im Kraftfahrzeugbau eingesetzt, besitzt einen nicht näher dargestellten Ansaugtrakt mit beispielsweise Einlassventilen über die Luft einem nicht näher dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die Luft dient zum Verbrennen von Kraftstoff, der entweder außerhalb des Brennraumes oder innerhalb des Brennraumes der Luft zugemischt wird. Das sich im Brennraum befindende Kraftstoff-Luftgemisch wird anschließend verbrannt. Durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches entsteht Abgas, welches aus dem Brennraum über beispielsweise nicht näher dargestellte Auslassventile in einen nicht näher dargestellten Abgastrakt gelangt. Ein Teil der Abgasenergie kann nun durch einen Einbau des Abgasturboladers 1 in den Luftkreislauf der Brennkraftmaschine zur Steigerung der Luftzufuhr in den Brennraum genutzt werden.
Eine Turbine 3 des Abgasturboladers 1 ist stromab nach den Auslassventilen in den Abgastrakt der Brennkraftmaschine vorgesehen und ein Verdichter 2 des Abgasturboladers 1 ist stromab vor den Einlassventilen in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine untergebracht . Die Turbine 3 wird von dem Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben und treibt über eine Welle 4 den Verdichter 2 an, sodass vom Verdichter 2 Luft angesaugt und verdichtet werden kann. Die Welle 4 weist eine Rotationsachse 40 auf. Die rotierenden Bauteile des Abgasturboladers 1, wie Verdichter 2, Turbine 3 und Welle 4, sind in einem nicht näher dargestellten Gehäuse des Abgasturboladers 1 über nicht näher dargestellte Lager abgestützt . Zwischen dem Verdichter 2 und der Turbine 3 sind auf der Welle 4 eine elektrische Maschine 20, eine, die elektrische Maschine 20 mit der Welle 4 des Abgasturbolader 1 verbindende Kupplung 5 und eine den Abgasturbolader 1 antreibende Schwungmasse 10 angeordnet. Die elektrische Maschine 20 ist mit der Kupplung 5 drehfest verbunden.
Die elektrische Maschine 20 setzt sich aus einem zylInderförmigen Läufer 21 und einem den Läufer 21 umschließenden Stator 23 zusammen. Die Rotationsachse 40 der Welle 4 entspricht einer Rotationsachse 41 des Läufers 21. Zwischen dem Läufer 21 und der Welle 4 ist ein Lager 50 vorgesehen, beispielsweise ein Gleitlager, welches ermöglicht, dass der Läufer 21 unabhängig von einer Drehzahl der Welle 4 mit einer, sich von der Drehzahl der Welle 4 unterscheidenden Drehzahl rotieren kann. Die elektrische Maschine 20 ist an ein Kraftfahrzeug-Bordnetz 100 der Brennkraftmaschine angeschlossen.
Die verdichterseitig angeordnete Kupplung 5 setzt sich aus einer drehfest mit der Welle 4 des Abgasturboladers 1 verbundenen ersten Scheibe 11, einer die erste Scheibe 11 zangenförmig umgrenzenden Polstruktur 31, einem die Polstruktur 31 ummantelnden Joch 15 und einer im Joch 15 aufgenommenen Spule 30 zusammen. Die Polstruktur 31 kann auch als mitdrehendes Element der Kupplung 5 bezeichnet werden. Rotierende Teile der Kupplung 5 sind scheibenförmig ausgebildet, sodass aufgrund der Zentrifugalkraft ausschließlich Zugspannungen im Material entstehen können. Die Welle 4, die Kupplung 5 und der Läufer 21 weisen dieselbe Rotationsachse 40 auf.
Die Fig. 2 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Explosionsdarstellung des Abgasturboladers 1. Das die Polstruktur 31 ummantelnde Joch 15 besteht aus zwei runden, scheibenförmigen Deckeln, einem ersten Deckel 151 und einem zweiten Deckel 152, wobei die Deckel 151, 152 einen senkrecht zu einer Deckelebene angeordneten ersten Bund 155 beziehungsweise zweiten Bund 156 aufweisen. In die Deckel 151, 152 ist mittig eine erste runde Öffnung 153 beziehungsweise eine zweite runde Öffnung 154 zur Aufnahme der Welle 4 eingebracht. Die Deckel 151, 152 sind spiegelbildlich zueinander positioniert, sodass eine erste Stirnfläche 157 des ersten Bundes 155 an eine zweite Stirnfläche 158 des zweiten Bundes 156 grenzt. Die zueinander weisenden Stirnflächen 157, 158 werden nach der Montage miteinander fest verbunden, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten.
Das Joch 15 ist aus Montagegründen zweiteilig ausgeführt. Es könnte auch derart ausgebildet sein, dass die beiden Öffnungen 153 und 154 der Deckel 151, 152 einen Durchmesser in der Größenordnung des Durchmessers der Welle 4 zur reibungsfreien Aufnahme der Welle 4 aufweisen. Ebenso könnten in den Öffnungen 153, 154 des Jochs 15 auch Lager der Welle 4 integriert sein.
Das Joch 15 nimmt die Polstruktur 31 auf. Die Polstruktur 31 ist dreiteilig aufgebaut. Ein erster Teil der Polstruktur 31 bildet eine eine Zahnstruktur 44 aufweisende erste Ringscheibe 32 mit einem äußeren Durchmesser DRχ und einem in Fig. 1 näher dargestellten Hohlraum 37 mit einem Durchmesser Du. Ein in Fig. 2 dargestellter zweiter Teil der Polstruktur 31 bildet eine zweite Ringscheibe 36 mit einem äußeren Durchmesser DR2, die ebenfalls die Zahnstruktur 44 aufweist. Zwischen der ersten Ringscheibe 32 und der zweiten Ringscheibe 36 ist die drehfest mit der Welle 4 verbundene erste Scheibe 11 angeordnet. Die erste Ringscheibe 32 und die zweite Ringscheibe 36 werden an ihrem Umfang von einem dritten Teil der Polstruktur 31, einem nicht magnetisierbaren Spannband 38 zusammengehalten, derart, dass ihre Scheibenflächen parallel zueinander angeordnet sind. Wäre das Spannband 38 nicht vorhanden, so könnten im Betrieb der Kupplung 5 auftretende Fliehkräfte die beiden Ringscheiben 32, 36 deformieren, sodass die koppelnde Funktion der Kupplung 5 nicht mehr gewährleistet werden könnte. Um eine Reibung zwischen der ersten Scheibe 11 und dem Spannband 38 zu verhindern, ist im Spannband 38 eine radiale Einbuchtung 13 gegenüberliegend der ersten Scheibe 11 vorgesehen.
Der Außendurchmesser DRi der ersten Ringscheibe 32 und der Außendurchmesser DR2 der zweiten Ringscheibe 36 entsprechen dem Außendurchmesser Ds der ersten Scheibe 11. Ein Innendurchmesser DJOCh des Jochs 15 ist größer als ein Außendurchmesser DPoι der Polstruktur 31, sodass ein Ringraum 18 im Joch 15 ausgespart bleibt. Dieser vorhandene Ringraum 18 ist zur Aufnahme der Spule 30 vorgesehen. Die in dem Joch 15 untergebrachte Spule 30 dient zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Die Spule 30 wird hierzu von dem Kraftfahrzeug- Bordnetz 100 mit Strom versorgt.
Zwischen der rotationsfähigen Polstruktur 31 und dem Joch 15 sowie zwischen dem sich mit der Polstruktur 31 rotierenden Spannband 38 und der Spule 30 liegt ein in Fig. 1 näher dargestellter Luftspalt 52 vor. Der Luftspalt 52 verhindert eine Reibung zwischen der Polstruktur 31 und dem Joch 15 beziehungsweise zwischen dem Spannband 38 und der Spule 30.
Eine Verbindung der elektrischen Maschine 20 mit der Kupplung 5 ist durch eine, die Welle 4 aufnehmende zweite Scheibe 35 und einem die Welle 4 aufnehmenden, mit der zweiten Scheibe 35 drehfest verbundenem Rohrstück 34 realisiert. Ein der elektrischen Maschine 20 zugewandtes Ende des Rohrstückes 34 ist mit dem Läufer 21 drehfest verbunden. Ein der Kupplung 5 zugewandte Ende des Rohrstückes 34 ist mit der zweiten Scheibe 35 drehfest verbunden. Die zweite Scheibe 35 ist mit der ersten Ringscheibe 32 drehfest verbunden, derart, dass die erste Ringscheibe 32 die zweite Scheibe 35 in ihrem Hohlraum 37 aufnimmt. Die zweite Scheibe 35 weist eine Öffnung 49 zur Aufnahme der Welle 4 auf.
Die drehfeste Aufnahme der zweiten Scheibe 35 im Hohlraum 37 der ersten Ringscheibe 32 kann zum Beispiel durch Formschluss erfolgen. Ebenso könnten die erste Ringscheibe 32 und die zweite Scheibe 35 auch einteilig ausgeführt sein und die zweite Scheibe 35 könnte dann ebenfalls die Zahnstruktur 44 entsprechend der ersten Ringscheibe 32 aufweisen. Die Zahnstruktur 44 auf der zweiten Scheibe 35 wäre zwar ohne Funktion, da ihr keine Zahnstruktur 44 auf der zweiten Ringscheibe 36 gegenüberläge, allerdings wäre dies fertigungstechnisch einfacher herzustellen, als eine Scheibe mit einem die Zahnstruktur 44 aufweisenden Zahnkranz und einer vom Zahnkranz umringten Fläche ohne Zahnstruktur 44.
Zwischen der ersten Scheibe 11 und der Polstruktur 31 ist ein Luftspalt 51 ausgebildet. Der Luftspalt 51 verhindert zum einen eine Reibung zwischen den Ringscheiben 32, 36 und der ersten Scheibe 11 beziehungsweise zwischen dem Spannband 38 und der ersten Scheibe 11 und dient zum anderen als Träger eines von der Spule 30 induzierten magnetischen Flusses 54. Die Polstruktur 31 könnte auch ein- oder zweiteilig aufgebaut sein. Dabei sind die Montagemöglichkeiten der zwischen den Ringscheiben 32, 36 angeordneten ersten Scheibe 11 zu beachten. In Fig. 3 ist ein Ausschnitt der Polstruktur 31 des Abgasturboladers 1 dargestellt . Die erste und die zweite Ringscheibe 32, 36 besitzen eine Zahnstruktur 44 mit Zähnen 45 und den Zähnen 45 benachbarte Zahnlücken 46 auf ihren der ersten Scheibe 11 jeweils zugewandten Oberflächen. Die Zähne 45 weisen axial eine Zahnhöhe Hz und in Umfangsrichtung eine Zahnlänge Lz auf . Die Zahnstruktur 44 der ersten und zweiten Ringscheibe 32, 36 ist derart ausgeführt, dass die Zähne 45 der ersten Ringscheibe 32 gegenüber den Zahnlücken 46 der zweiten Ringscheibe 36 liegen.
Die Fig. 4 zeigt eine Abwicklung der Polstruktur 31 mit eingezeichneten, im Betrieb bei stromdurchflossener Spule 30 auftretenden magnetischen Fluss 54 und magnetische Pole 53. Der magnetische Fluss 54 wird von der nicht dargestellten stromdurchflossenen Spule 30 induziert. Es bilden sich in den Zähnen 45 der ersten Ringscheibe 32 und der zweiten Ringscheibe 36 die magnetischen Pole 53 aus. Aufgrund der Fließrichtung des magnetischen Flusses 54 können die Pole 53 in Nord- und Südpole eingeteilt werden, gekennzeichnet in Fig. 4 durch N beziehungsweise S. Ist die Spule 30 nicht stromdurchflossen, wird kein magnetischer Fluss 54 induziert.
In Fig. 4 ist der Nordpol in der ersten Ringscheibe 32 und der Südpol in der zweiten Ringscheibe 36 ausgebildet. Die zwischen den beiden Ringscheiben 32, 36 positionierte erste Scheibe 11 ist von dem magnetischen Fluss 54 durchströmt. Aufgrund dieser Durchströmung und der in den Ringscheiben 32, 36 versetzt zueinander liegenden Zähne tritt bei einer Drehbewegung der ersten Scheibe 11 mit einer Drehzahl, die abweichend ist von einer Drehzahl der Ringscheiben 32, 36 der Polstruktur 31 eine Änderung der Magnetisierung (Ummagnetisierung) der ersten Scheibe 11 auf. Es ist möglich, ein Funktionsprinzip der Hysterese oder eines Wirbelstroms in der Kupplung 5 zu realisieren. Ob die Drehbewegung beziehungsweise die Drehzahl der Polstruktur 31 entspricht oder nicht, ist abhängig vom eingesetzten Funktionsprinzip der Kupplung 5.
Wird das Prinzip der Hysterese eingesetzt, besteht die erste Scheibe 11 aus halbhartem, eine ausgeprägte Hystereseschleife in einem Flussdichte B - Feldstärke H - Diagramm, kurz B-H- Diagramm genannt, aufweisenden Material. Die Polstruktur 31 ist aus weichmagnetischem Material, zum Beispiel Eisen aufgebaut. Durch die zueinander versetzt liegenden Zähne 45 der Polstruktur 31 teilt sich der durch jeden Pol 53 fließende magnetische Fluss 54 in zwei Teile auf und durchquert die erste Scheibe 11 zum Teil in tangentialer Richtung. Dabei wird die aus dem magnetisch halbharten Material bestehende erste Scheibe 11 aufmagnetisiert . Im Idealfall sind die Richtungen der beiden von einem Pol 53 ausgehenden Teilflüsse um 180 Grad zueinander versetzt.
Dreht sich die Polstruktur 31 um beispielsweise eine Zahnlänge Lz weiter, wird die gerade aufmagnetisierte Stelle in der ersten Scheibe 11 genau in die andere Richtung vom magnetischen Fluss 54 durchströmt. Die erste Scheibe 11 wird in die entgegengesetzte Richtung magnetisiert . Die aufgrund der Ummagnetisierung verrichtete Arbeit entspricht der Fläche einer Hystereseschleife und wird Ummagnetisierungsarbeit genannt .
Durch die Ummagnetisierungsarbeit wird in der ersten Scheibe 11 ein Drehmoment erzeugt und es entsteht eine elektromagnetische Verbindung zwischen Polstruktur 31 und der ersten Scheibe 11, wodurch schließlich über die Kupplung 5 und die erste Scheibe 11 mit ihrer drehfesten Verbindung zur Welle 4 die Verbindung des Abgasturboladers 1 mit der elektrischen Maschine 20 hergestellt ist. Die Kupplung 5 ist dann geschlossen. Im Falle der Kupplung 5 nach dem Prinzip der Hysterese können die erste Scheibe 11 und die Polstruktur 31 die gleiche Drehzahl annehmen.
Wird das Prinzip des Wirbelstroms eingesetzt, so ist für die erste Scheibe 11 ein elektrisch leitfähiges Material, wie zum Beispiel Eisen, Kupfer oder Aluminium zu verwenden. Bei einer Verdrehung der ersten Scheibe 11 wird ein lokal induziertes Magnetfeld des magnetischen Flusses 54 in seiner Stärke und in seiner Richtung verändert. Die durch die Änderungen des Magnetfeldes lokal induzierten und senkrecht zum Magnetfeld stehenden Wirbelströme bauen sich wiederum Magnetfelder auf, die dem angelegten Magnetfeld entgegensetzt gerichtet sind. Dadurch entsteht ein Drehmoment, das eine elektromagnetische Verbindung zwischen Polstruktur 31 und der ersten Scheibe 11 herstellt, wodurch schließlich über die Kupplung 5 und die erste Scheibe 11 mit ihrer drehfesten Verbindung zur Welle 4 die Verbindung des Abgasturboladers 1 mit der elektrischen Maschine 20 hergestellt ist. Die Kupplung 5 ist damit geschlossen.
Bei einer WirbelStromkupplung ist das sich einstellende Drehmoment abhängig von der Relativdrehzahl der ersten Scheibe 11 und der Polstruktur 31, das heißt, dass keine Drehzahlangleichung der ersten Scheibe 11 und der Polstruktur 31 möglich ist. Vorteilhafterweise ist das bei Wirbelstromkupplungen eingesetzte Material drehzahlfester als das Material der Hysteresekupplungen.
Für beide Funktionsprinzipien gilt, dass für den Fall, dass die Spule 30 nicht Stromdurchflossen ist, kein magnetischer Fluss 54 in der Polstruktur 31 erzeugt wird und keine Verbindung zwischen elektrischer Maschine 20 und dem Abgasturbolader 1 entsteht. Die Kupplung 5 ist dann geöffnet.
Für beide Kupplungsarten sind die Spule 30 und der Stator 23 ruhend angeordnet und der magnetische Fluss 54 wird über den Luftspalt 52 in die Polstruktur 31 übertragen. Die mit dem Läufer 21 über das Rohrstück 34 und die zweite Scheibe 35 verbundene erste Ringscheibe 32 und die zweite Ringscheibe 36 sind über das Spannband 38 zusammengehalten und sind aufgrund der durch die Rotation wirkenden Zentrifugalkraft einer reinen Zugspannung ausgesetzt.
Der rotationsfähige und bei Bedarf von der elektrischen Maschine 20 zu einer permanenten Drehbewegung angeregte Läufer 21, die rotationsfähige Polstruktur 31 und die die drehfeste Verbindung zwischen dem Läufer 21 und der Polstruktur 31 darstellenden Teile, das Rohrstück 34 und die mit dem Rohrstück 34 drehfest verbundene zweite Scheibe 35 stellen die Schwungmasse 10 dar. Zur Drehzahlerhöhung des Abgasturboladers 1 wird die Schwungmasse 10 bei Bedarf über die Kupplung 5 mit dem Abgasturbolader 1 verbunden.
Zur Erzeugung der Drehbewegung der Schwungmasse 10 mit einer Drehzahl nKθnts von beispielsweise 100000 l/min, ist von der elektrischen Maschine 20 eine Leistung von etwa 100 W aufzubringen, wodurch, im Gegensatz zum Stand der Technik, eine wesentliche Reduzierung des elektrischen Leistungsbedarfs zum Beschleunigen des Abgasturboladers 1 erzielt wird. Eine weitere Reduzierung des Energiebedarfs kann durch die Abnahme von beispielsweise den Reibungsverlusten in den nicht näher dargestellten Lagern und/oder der Abnahme des Luftwiderstandes der Schwungmasse 10 erreicht werden. Die Abnahme des Luftwiderstandes der Schwungmasse 10 kann beispielsweise durch Auffüllen der Zahnlücken 46 der Polstruktur 31 mit nichtmagnetisierbarem Material erreicht werden. Durch das Auffüllen der Zahnlücken 46 mit nichtmagnetisierbarem Material kann die Geräuschemission niedrig gehalten werden.
Durch die erfindungsgemäße Nutzung von Läufer 21 und der scheibenförmigen Polstruktur 31 als Schwungmasse 10 ist eine geringere Antriebsleistung der elektrischen Maschine 20 notwendig, wodurch der Bauraumbedarf des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 gegenüber bisherigen Ausführungen wesentlich reduziert ist.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine im Leerlaufbereich Lιeer oder einem niedrigen Teillastbereich Leiin oder im Schubbetrieb LScimb bei kleinen Drehzahlen nkιeiιι ist die Kupplung 5 geöffnet und der Abgasturbolader 1 ist nicht an die elektrische Maschine 20 gekoppelt. Wegen der geringen Reibungsverluste und der hohen, in der Schwungmasse 10 gespeicherten Rotationsenergie rotiert die Schwungmasse 10 mit Drehzahlen, die größer sind als eine Nenndrehzahl nKonts der Schwungmasse 10. Die Schwungmasse 10 ist dabei nicht an die elektrische Maschine 20 gekoppelt, das heißt sie rotiert ohne Energieversorgung durch die elektrische Maschine 20.
Sobald die Schwungmasse 10 ihre Nenndrehzahl nKonts unterschreitet, treibt die elektrische Maschine 20 die Schwungmasse 10 an. Die von der elektrischen Maschine 20 aufzubringende Leistung muss gerade zur Überwindung von Lagerreibverlusten und Luftwiderstand ausreichend sein.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine bei hoher Teillast LTeiih und niedriger Drehzahl nkiein ist die Schwungmasse 10 über die dann geschlossene Kupplung 5 an den Abgasturbolader 1 gekoppelt und wird mit der entsprechenden Drehzahl des Abgasturboladers 1 nATD betrieben. Die elektrische Maschine 20 ist in diesem Fall ausgeschaltet.
Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem Betrieb bei hoher Teillast LTeiih mit großen Drehzahlen ngroß oder bei Volllast Lvoii ist die Schwungmasse 10 an den Abgasturbolader 1 gekoppelt und wird mit der entsprechenden Drehzahl nATL des Abgasturboladers 1 betrieben. Die Drehzahl nATL des Abgasturboladers 1 ist größer als die kontinuierliche Nenndrehzahl nKonts der Schwungmasse 10, derart, dass Energie über die elektrische Maschine 20 gewonnen wird und beispielsweise in das Kraftfahrzeug-Bordnetz 100 eingespeist wird.
Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem Lastanforderungszustand, wird die Kupplung 5 geschlossen und die Schwungmasse 10 beschleunigt den Abgasturbolader 1. Dabei kann während des Beschleunigungsvorganges die Nenndrehzahl nκonts der Schwungmasse 10 soweit absinken, bis die elektrische Maschine 20 die Schwungmasse 10 wieder antreibt, damit die Nenndrehzahl nθnts der Schwungmasse 10 wieder erreicht wird. Bei Erreichen der geforderten Abgasturboladerdrehzahl nATL wird die Schwungmasse 10 vom Abgasturbolader 1 entkoppelt .
Im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen rotiert die Schwungmasse 10 zuerst frei mit und wird nach einer bestimmten Zeit, sobald sich ihre Drehzahl ns unterhalb der Nenndrehzahl nKθnts befindet, von der elektrischen Maschine 20 angetrieben, derart, dass die Schwungmasse 10 die Nenndrehzahl nKonts besitzt.'

Claims

Patentansprüche
1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichter und einer Turbine, mit einer Welle, die den Verdichter mit der Turbine drehfest verbindet, mit einer elektrischen Maschine, die über eine Kupplung mit dem Abgasturbolader verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (1) zumindest zeitweise von einer scheibenförmigen Schwungmasse (10) antreibbar ist, wobei die scheibenförmige Schwungmasse (10) über die Kupplung (5) mit dem Abgasturbolader (1) verbindbar ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (5) sich aus einer drehfest mit der Welle (4) des Abgasturboladers (1) verbundenen ersten Scheibe (11) , einer Polstruktur (31) , einem Joch (15) und einer Spule (30) zusammensetzt.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenförmige Schwungmasse (10) von der elektrischen Maschine (20) antreibbar ist.
4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (10) die Polstruktur (31) aufweist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstruktur (31) aus mindestens zwei Scheiben (32, 36) aufgebaut ist.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (32, 36) der Polstruktur (31) ringförmig aufgebaut sind.
7. Abgasturbolader nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Scheiben (32, 36) der Polstruktur (31) die drehfest mit der Welle (4) des Abgasturboladers (1) verbundene Scheibe (11) angeordnet ist.
8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (32, 36) der Polstruktur (31) eine Zahnstruktur (44) mit Zähnen (45) und Zahnlücken (46) aufweisen, wobei die Zähne (45) der einen Scheibe (32; 36) den Zahnlücken (46) der anderen Scheibe (36; 32) gegenüberliegend angeordnet sind.
9. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (32, 36) der Polstruktur (31) über ein nicht magnetisierbares Spannband (38) zusammengehalten sind.
10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (10) sich aus einem Läufer (21) der elektrischen Maschine (20) , einer in der Polstruktur (31) aufgenommenen Scheibe (35) , einem Rohrstück (34) und der Polstruktur (31) zusammensetzt.
11. Abgasturbolader nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polstruktur (31) über die Scheibe (35) und dem Rohrstück (34) mit dem Läufer (21) der elektrischen Maschine (20) drehfest verbunden ist.
12. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (5) zwischen Verdichter (2) und Turbine (3) des Abgasturboladers (1) angeordnet ist.
13. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (5) eine WirbelStromkupplung oder eine Hysteresekupplung ist .
14. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwungmasse (10) über den Abgasturbolader (1) oder über die elektrische Maschine (20) auf einer Mindestdrehzahl, die einer Nenndrehzahl (nkonts) entspricht, gehalten ist.
15. Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einem Verdichter und einer Turbine, mit einer Welle, die den Verdichter und die Turbine drehfest miteinander verbindet, mit einer elektrischen Maschine, die über eine Kupplung mit dem Abgasturbolader verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abgasturboladerdrehzahl nATL, die größer ist als eine Nenndrehzahl nkonts der Schwungmasse (10) , die elektrischen Maschine (20) zum Antrieb der Schwungmasse (10) nicht aktiv ist, sondern am Abgasturbolader (1) vorhandene überschüssige Energie in der Wirkungsweise der elektrischen Maschine (20) als Generator aufnimmt und beispielsweise in ein Kraftfahrzeug-Bordnetz einspeist, wobei der Antrieb der Schwungmasse (10) über den Abgasturbolader (1) aufrecht erhalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abgasturboladerdrehzahl nATL, die kleiner ist als die Nenndrehzahl nkons, die elektrische Maschine (20) nur dann zur Beschleunigung der Schwungmasse (10) eingesetzt wird, sobald eine Schwungmassendrehzahl ns unter die Nenndrehzahl nkθnts fällt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abgasturboladerdrehzahlen nATL, die mindestens etwa der Nenndrehzahl nko ts entsprechen, die Schwungmasse (10) vom Abgasturbolader (1) bei geschlossener Kupplung (5) beschleunigt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet , dass bei Abgasturboladerdrehzahlen nATL, die kleiner sind als die Schwungmassendrehzahl ns, der Abgasturbolader (1) von der Schwungmasse (10) angetrieben wird.
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