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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle sowie mit einer elektrischen Maschine, insbesondere zum Antrieb der Welle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
US 6,739,845 B2 ist ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle bekannt, wobei die Welle auf der Verdichterseite über ein Adapterstück mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist. Gelagert ist dabei die Welle in einem zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad liegenden Lagergehäuse. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist jedoch, dass sowohl die Welle des Abgasturboladers an zwei Stellen im Lagergehäuse, als auch ein Rotor der elektrischen Maschine relativ zu einem Gehäuse der elektrischen Maschine ebenfalls an zwei Stellen gelagert ist und dadurch insgesamt vier Lagerstellen vorhanden sind, die vergleichsweise aufwendig und teuer herzustellen sind.
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Aus der
WO 2013/165704 A1 ist wiederum ein gattungsgemäßer Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle sowie mit einem Elektromotor zum Antrieb der Welle bekannt, wobei der Elektromotor in diesem Fall in einem zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordneten Lagergehäuse untergebracht ist. Ein Rotor des Elektromotors ist dabei mit der Welle verbunden. Nachteilig hierbei ist jedoch die vergleichsweise aufwendige Fertigung und Anordnung des Elektromotors im Lagergehäuse.
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Um ein Ansprechverhalten von Abgasturboladern zu verbessern, ist es bekannt, elektrische Maschinen, konkret Elektromotoren, einzusetzen, die einen Antrieb der Welle, insbesondere in einem Turboloch "ermöglichen". Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern mit Elektromotoren ist jedoch neben der aufwendigen Lagerung auch das sich durch den Rotor des Elektromotors erhöhende Trägheitsmoment, was dem schnellen Ansprechverhalten ebenfalls entgegenwirkt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen konstruktiv einfachen Aufbau sowie ein verbessertes Ansprechverhalten auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Abgasturbolader mit einer ein Turbinenrad und ein Verdichterrad tragenden Welle sowie wie mit einer elektrischen Maschine, insbesondere mit einem Elektromotor zum Antrieb der Welle, und insbesondere auch zum Ausgleich eines sogenannten "Turbolochs", die Welle verdichterseitig in Axialrichtung zu verlängern und diese Verlängerung sowohl als Lagerung als auch als Rotor der elektrischen Maschine zu nutzen. Erfindungsgemäß ist deshalb die Welle ausschließlich über ein verdichterseitiges Außenlager und ein turbinenseitiges Außenlager gelagert, wobei die Welle jeweils einen axial über das Turbinenrad und das Verdichterrad hinaus stehenden Lagerzapfen besitzt. Der verdichterseitige Lagerzapfen ist dabei als Rotor der elektrischen Maschine ausgebildet, während eine verdichterseitige Lagerschale des verdichterseitigen Außenlagers als Stator der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Dies bietet den großen Vorteil, dass sowohl die elektrische Maschine als auch die Welle des Abgasturboladers und damit dessen Rotor über lediglich zwei Lager, nämlich das verdichterseitige und das turbinenseitige Außenlager gelagert sind, wodurch auf die separate Lagerung der elektrischen Maschine gänzlich verzichtet werden kann. Durch die Ausbildung des verdichterseitigen Lagerzapfens zugleich als Rotor der elektrischen Maschine kann das Trägheitsmoment des Rotors deutlich verringert und damit das Ansprechverhalten des Abgasturboladers deutlich verbessert werden, sofern es sich bei der elektrischen Maschine um einen Elektromotor handelt. Bei bislang aus dem Stand der Technik bekannten Abgasturboladern ist für die Drehzahlerhöhung der Welle nämlich zugleich das Trägheitsmoment des Rotors des Elektromotors zu überwinden. Durch die Integration des Rotors in der Lagerzapfen und damit in die eigentliche Welle, kann diese im Vergleich zur bisherigen Bauart, bei welcher die Welle mit dem externen Rotor des Elektromotors (der elektrischen Maschine) gekoppelt war, an sich leichter und damit mit geringerer Trägheit ausgebildet werden, was sich äußerst positiv auf das Ansprechverhalten auswirkt. Selbstverständlich ist rein theoretisch die Anordnung der elektrischen Maschine auch auf einer Turbinenseite möglich, wobei jedoch die Anordnung auf der Verdichterseite aufgrund der dort herrschenden, geringeren Temperaturbelastung vorteilhaft ist. In der vorliegenden und nachfolgenden Beschreibung wird stets von einer elektrischen Maschine gesprochen, die selbstverständlich bei entsprechender Bestromung als Elektromotor und damit als Antrieb und ebenso als Generator zur Energieerzeugung genutzt werden kann, sofern sie durch den Abgasstrom angetrieben wird. Dies bietet den großen Vorteil, dass die elektrische Maschine einerseits soweit erforderlich als Antrieb für den Abgasturbolader und damit zur Überwindung des Turbolochs verwendet werden kann und andererseits in einem Rekuperationsbetrieb auch als Generator, über welchen elektrische Energie erzeugt und der Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs gesenkt werden kann. Hierdurch lassen sich zwei vorteilhafte Effekte erzielen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der verdichterseitige Lagerzapfen als Permanentmagnet ausgebildet oder weist einen solchen auf. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, einen Permanentmagneten in den Lagerzapfen zu integrieren und mit einer sowohl verschleißbeständigen als auch reibungsarmen Beschichtung zu ummanteln. Hierdurch ist es möglich, den Permanentmagneten geschützt innerhalb des Lagerzapfens anzuordnen und gleichzeitig optimierte Lagereigenschaften zu erreichen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist der verdichterseitige Lagerzapfen und/oder der turbinenseitige Lagerzapfen luftgelagert. Eine derartige Luftlagerung stellt eine besonders leichtgängige und darüber hinaus verschleißarme Lagerung des Rotors bzw. der Welle dar, da diese beim Betrieb des Abgasturboladers aufgrund der sich dann zwischen der Welle und einer Lagerschale ausbildenden Luftschicht nicht in direktem Kontakt mit der Lagerschale tritt. Derartige Luftlagerungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, ein alternatives Schmiermittel zu verwenden. Auch ein Kugellager bzw. ein Gleitlager sind rein theoretisch denkbar.
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Zweckmäßig sind/ist das verdichterseitige Außenlager und/oder das turbinenseitige Außenlager jeweils in einer Gondel angeordnet. Eine derartige Gondel ist turbinenseitig vom Abgasstrom und verdichterseitig vom Luftstrom umströmt und muss deshalb eine möglichst strömungsoptimierte Form aufweisen, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, dass zumindest eine der Gondeln eine Tropfenform aufweist, welche einen besonders geringen Strömungswiderstand bietet. Rein theoretisch kann zumindest eine der Gondeln zugleich auch als Strömungsleitelement ausgebildet sein, welches eine vordefinierte Abgas- oder Luftströmung bewirkt.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, dass die Gondel des verdichterseitigen Außenlagers und des turbinenseitigen Außenlagers jeweils über zumindest einen Steg am Turbinengehäuse gelagert ist. Zumindest im Steg des verdichterseitigen Außenlagers kann dabei ein Versorgungskanal vorgesehen sein, insbesondere für elektrische Leitungen für die in der Gondel angeordnete elektrischen Maschine. Der Steg kann dabei analog zur Gondel ebenfalls ein strömungsoptimiertes Außenprofil, beispielsweise ähnlich einer Tragfläche, jedoch beispielsweise mit identischer Unter- und Oberseite, aufweisen. Über den Versorgungskanal lassen sich die elektrischen Leitungen nicht nur strömungsoptimiert, da innerhalb des Steges, sondern zudem auch geschützt, anordnen.
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Zweckmäßig ist zumindest ein Steg einteilig oder einstückig mit dem Turbinengehäuse oder dem Verdichtergehäuse ausgebildet. Alternativ ist selbstverständlich auch vorstellbar, dass der Steg als separates Bauteil zum Turbinengehäuse bzw. zum Verdichtergehäuse ausgebildet und erst in einem späteren Montageschritt an diesem montiert wird. Durch die einstückige bzw. einteilige Ausbildung des zumindest einen Steges mit dem jeweiligen Gehäuse bietet sich jedoch die Möglichkeit einer besonders rationellen und wirtschaftlichen Herstellung, insbesondere wenn das Turbinengehäuse oder das Verdichtergehäuse als Gussbauteil ausgebildet sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die elektrische Maschine als Elektromotor, als Synchronmotor, als Asynchronmotor, als Reluktanzmotor oder als Generator ausgebildet. Der Reluktanzmotor ist dabei eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird und nicht zu wesentlichen Anteilen durch die Lorenzkraft, wie dies bei magnetisch erregten Maschinen der Fall ist. Dies bedeutet, dass die Maschine weder mit Permanentmagneten bestückt ist, noch befinden sich am Rotor oder Stator elektrische Wicklungen. Dadurch entfallen prinzipbedingt auch jede Art von verschleißanfälligen Schleifringen und Bürsten. Der Rotor bzw. Stator besitzt dabei ausgeprägte Pole und besteht aus einem hochpermeablen, weichmagnetischen Material, wie beispielsweise einem Elektroblech. Im Vergleich zu permanentmagnetisch erregten Elektromotoren, wie beispielsweise dem Synchronmotor, weist der Reluktanzmotor einen synchronen Betriebsmodus und einen höheren Wirkungsgrad auf. Dabei ist klar, dass jeder Elektromotor, sofern er fremdangetrieben ist, als Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet werden kann,
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
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2 eine Detaildarstellung im Bereich eines verdichterseitigen Außenlagers,
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3, 4 Darstellungen wie in 2, jedoch bei jeweils anders angeordneten Radiallagerringen und Permanentmagneten,
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5 eine Schnittdarstellung durch einen Steghalterung einer ein Außenlager beinhaltenden Gondel.
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Entsprechend den 1 bis 4 weist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 eine ein Turbinenrad 2 sowie ein Verdichterrad 3 tragende Welle 4 auf. Ebenfalls vorgesehen ist eine elektrische Maschine 5, die beispielsweise als Elektromotor 23 ausgebildet sein kann und zum Antrieb der Welle 4 und damit zum Antrieb des Verdichterrades 3, insbesondere um ein schnelleres Ansprechverhalten des Abgasturboladers 1, beispielsweise in einem sogenannten Turboloch, realisieren zu können, dienen kann. Die Welle 4 ist ausschließlich über ein verdichterseitiges Außenlager 6 sowie ein turbinenseitiges Außenlager 7 gelagert, wobei die Welle 4 jeweils einen axial über das Turbinenrad 2 und das Verdichterrad 3 hinausstehenden Lagerzapfen 8, 9 besitzt. Der verdichterseitige Lagerzapfen 9 ist dabei erfindungsgemäß als Rotor 10 ausgebildet. Ein zugehöriger Stator 11 ist dabei ebenso wie der Rotor 10 innerhalb einer Gondel 12 angeordnet und kann beispielsweise gleichzeitig die Funktion einer Lagerschale übernehmen. Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 bietet dabei den großen Vorteil, dass die Welle 4 über lediglich zwei Lager, nämlich die beiden Außenlager 6, 7 gelagert wird, was im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lagerung bei Abgasturboladern mit Elektromotoren eine deutlichere Reduzierung der Lageranzahl bedeutet. Eine Reduzierung der Lageranzahl wiederum bedeutet geringeren konstruktiven und materiellen Aufwand. Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 einen entscheidenden Vorteil in einem deutlich verbesserten Ansprechverhalten, da der Rotor 10 in die Welle 4 des Abgasturboladers 1 integriert ist und nicht separat in einem separaten Elektromotor angeordnet wird. Hierdurch reduziert sich das Gewicht der vom Elektromotor 23 im Bedarfsfall anzutreibenden Komponenten, ebenso wie die Trägheit dieser Komponenten, woraus das zuvor erwähnte schnellere Ansprechverhalten resultiert.
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Die elektrische Maschine 5 kann als Elektromotor 23, als Synchronmotor, als Asynchronmotor oder als Generator 24 ausgebildet sein und in dieser Weise einen Permanentmagneten 13 im verdichterseitigen Lagerzapfen 9 aufweisen. Rein theoretisch kann selbstverständlich auch der Lagerzapfen 9 selbst als Permanentmagnet 13 ausgebildet sein. Bevorzugt ist jedoch der Permanentmagnet 13 innerhalb des verdichterseitigen Lagerzapfens 9 angeordnet und von einer verschleißbeständigen und reibungsarmen Oberfläche bzw. Schicht 22 des verdichterseitigen Lagerzapfens 9 vollständig umhüllt. Hierdurch ist der Permanentmagnet 13 zudem geschützt innerhalb des Lagerzapfens 9 angeordnet. Wird der Elektromotor 23 als Reluktanzmotor ausgebildet, ist überhaupt keine Anordnung eines Permanentmagneten 13 im verdichterseitigen Lagerzapfen 9 erforderlich. Die elektrische Maschine 5 kann bei entsprechender Bestromung als Elektromotor 23 und damit als Antrieb für den Abgasturbolader 1 und ebenso als Generator 24 zur Energieerzeugung genutzt werden kann, sofern sie durch den Abgasstrom angetrieben wird. Dies bietet den großen Vorteil, dass die elektrische Maschine 5 einerseits zur Überwindung des Turbolochs verwendet werden kann und andererseits in einem Rekuperationsbetrieb auch als Generator 24, über welchen elektrische Energie erzeugt wird.
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Um die Lagerung der Welle 4 möglichst leichtgängig gestalten zu können, sind/ist der verdichterseitige Lagerzapfen 9 und/oder der turbinenseitige Lagerzapfen 8 luftgelagert. Bei einer derartigen Luftlagerung besteht im Betrieb des Abgasturboladers 1 keinerlei Kontakt zwischen den Lagerzapfen 8, 9 und den jeweils zugehörigen Außenlagern 7, 6, wodurch nicht nur eine verschleißarme, sondern zudem auch äußerst leichtgängige Lagerung, insbesondere bei hohen Drehzahlen, erreicht werden kann.
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Betrachtet man die 2 bis 4, so kann man erkennen, dass das verdichterseitige Außenlager 6 in einer Gondel 12 angeordnet ist. Diese Gondel 12 kann dabei eine Tropfenform aufweisen (vgl. 5) und dadurch einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand für eine Strömung 14 darstellen. In analoger Weise kann selbstverständlich auch das turbinenseitige Außenlager 7 in einer Gondel 12 angeordnet sein und ebenfalls eine Tropfenform aufweisen, um einem Abgasstrom möglichst geringen Strömungswiderstand zu bieten.
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Die Gondel 12 des verdichterseitigen Außenlagers 6 ist dabei über einen Steg 15 gelagert, wobei in analoger Weise auch die Gondel 12 des turbinenseitigen Außenlagers 7 über einen Steg 15 am Turbinengehäuse gelagert sein kann. In diesem Fall ist im turbinenseitigen Außenlager 7 üblicherweise kein Elektromotor 23 angeordnet, da die Anordnung auf der Verdichterseite aufgrund der dort herrschenden, geringeren Temperaturen bevorzugt ist. Die Gondel 12 kann dabei über lediglich einen einzigen Steg 15 oder aber über mehrere Stege 15 am Verdichtergehäuse 16 bzw. am Turbinengehäuse gelagert bzw. gehalten sein. Zumindest ein Steg 15 kann dabei zudem einteilig oder sogar einstückig, insbesondere sofern das Verdichtergehäuse als Gussbauteil ausgebildet ist, mit dem Verdichtergehäuse 16 ausgebildet sein, wodurch eine rationelle Herstellung bewirkt werden kann. Auch eine separate Herstellung des Steges 15 ist denkbar, so dass dieser erst bei der Montage des Abgasturboladers 1 im Verdichtergehäuse 16 bzw. im Turbinengehäuse montiert werden muss. In zumindest einem Steg 15 kann dabei zumindest ein Versorgungskanal 18 (vgl. 5) angeordnet sein, in welche beispielsweise elektrische Leitung zur elektrischen Energieversorgung des Elektromotors 23 bzw. des Generators 24 und allgemein der elektrischen Maschine 5 angeordnet werden können. Ein Querschnitt des zumindest einen Versorgungskanals 18 kann dabei kreisförmig, rechteckig oder mit jedem anderen Querschnittsprofil ausgebildet sein. Insbesondere ist auch denkbar, die Stege 15 als Hohlprofil auszubilden. Zum besseren Regeln des Abgasturboladers 1 kann der Elektromotor 23 auch über eine Regeleinheit 19 mit einem Motorsteuergerät 20 eines Kraftfahrzeugs 21 verbunden sein.
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Betrachtet man den Abgasturbolader 1 gemäß der 2, so kann man erkennen, dass zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 11 der elektrischen Maschine 5 ein Radiallager 17 angeordnet ist. Der Stator 11 ist dabei ortsfest zur Gondel 12 angeordnet. Gemäß den 3 und 4 ist der Radiallagerring 17 axial benachbart zum Stator 11 angeordnet und zwar in den 3 und 4 in umgekehrter Weise. Dies erkennt man daran, dass der Permanentmagnet 13 des Rotors 10 stets dem Stator 11 zugeordnet ist. Gemäß der 3 ist dabei der Radiallagerring 17 näher an einem freien Ende des Lagerzapfens 9 angeordnet, als der Stator 11 bzw. der Permanentmagnet 13, während gemäß der 4 der Stator 11 näher am freien Ende des Lagerzapfens 9 angeordnet ist.
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Die Außenform der Gondel 12 sollte möglichst aerodynamisch vorteilhaft ausgestaltet sein, wobei eine Vorderkante beispielsweise spitz zulaufen, verrundet oder elliptisch ausgeführt sein kann. In gleicher Weise aerodynamisch günstig sollten auch die Stege 15 ausgebildet sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist sogar denkbar, dass die Stege 15 in der Art eines Strömungsleitelements ausgebildet sind und dadurch eine vordefinierte Luft- bzw. Abgasströmung erzwingen. Rein theoretisch ist sogar vorstellbar, dass die Stege 15 verstellbar sind, um beispielsweise das Strömungsverhalten am Verdichterrad 3 individuell einstellen zu können. Auch eine Profilwölbung, das heißt eine von einer Geraden abweichende Skelettlinie bzw. eine Krümmung oder eine Kurvenform (S-Schlag) kann an den Stegen 15 vorgesehen sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader 1 ist somit ein deutlicher Vorteil in Bezug auf die Lagerung der Welle 4 zu erzielen, da lediglich zwei Lagerstellen 6, 7 insgesamt für die elektrische Maschine 5 und die Welle 4 vorgesehen werden müssen. Zudem kann aufgrund der Integration des Rotors 10 in den verdichterseitigen Lagerzapfen 9 das Massenträgheitsmoment der Welle 4 und damit des Rotors des Abgasturboladers 1 gesenkt werden, wodurch ein schnelleres Ansprechverhalten erreicht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6739845 B2 [0002]
- WO 2013/165704 A1 [0003]
