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Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein Verdichterrad, ein Turbinenrad und eine erste Elektromaschine, welche untereinander trieblich über ein zwischenliegendes Getriebe gekoppelt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem vorgenannten Abgasturbolader.
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Aus der
DE 10 2011 005 825 A1 geht ein Abgasturbolader hervor, welcher ein Turbinenrad und ein Verdichterrad umfasst. Zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad ist zudem ein Getriebe in Form eines Planetengetriebes vorgesehen, über welches das Verdichterrad, das Turbinenrad und eine Elektromaschine trieblich untereinander verbunden sind. Das Getriebe fungiert dabei als Überlagerungsgetriebe, so dass Drehzahlen des Verdichterrades, des Turbinenrades und der Elektromaschine entsprechend miteinander überlagert werden.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasturbolader zu schaffen, dessen Betrieb vollvariabel gestaltet werden kann.
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Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Abgasturbolader ein Verdichterrad, ein Turbinenrad und eine erste Elektromaschine, welche untereinander trieblich über ein zwischenliegendes Getriebe gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist die jeweilige Anbindung an das Getriebe dabei derartig gestaltet, dass das Turbinenrad über eine Turbinenwelle, das Verdichterrad über eine Verdichterwelle und die erste Elektromaschine an einem Rotor über eine Rotorwelle seitens des Getriebes angebunden sind. Insofern dient das Getriebe einer Überlagerung der Drehbewegungen von Turbinenrad, Verdichterrad und erster Elektromaschine.
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Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass zudem eine zweite Elektromaschine vorgesehen ist, die über das Getriebe ebenfalls mit dem Verdichterrad, dem Turbinenrad und der ersten Elektromaschine in Triebverbindung steht. Mit anderen Worten ist also neben der ersten Elektromaschine noch eine weitere, zweite Elektromaschine vorgesehen, die seitens des Getriebes ebenfalls trieblich eingebunden ist. Insofern koppelt das Getriebe die insgesamt vier Komponenten in Form des Turbinenrades, des Verdichterrades und der beiden Elektromaschinen untereinander und überlagert deren Drehbewegungen entsprechend.
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Eine derartige Ausgestaltung eines Abgasturboladers hat dabei den Vorteil, dass durch das Vorsehen von zwei Elektromaschinen, die über das Getriebe jeweils untereinander, sowie mit dem Verdichter- und dem Turbinenrad gekoppelt sind, neben einer Drehzahlüberlagerung auch eine Überlagerung von Drehmomenten der einzelnen Komponenten möglich wird. Insgesamt ist hierdurch eine vollvariable Drehzahl- und Drehmomentregelung für den Verdichter und die Turbine möglich, d. h. es kann prinzipiell jeder Betriebspunkt gefahren werden. Das Getriebe fungiert dabei als sogenanntes reduziertes Koppelgetriebe. Schließlich kann bei geeigneter Wahl der Übersetzung des Getriebes bei schnelllaufendem Verdichterrad und Turbinenrad ein langsames Laufen der beiden Elektromaschinen realisiert werden.
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Hingegen ist im Falle der
DE 10 2011 005 825 A1 nur eine einzige Elektromaschine vorgesehen. Hierdurch können zwar Drehzahlen von Verdichterrad und Turbinenrad über die Elektromaschine mithilfe des zwischenliegenden Überlagerungsgetriebes eingestellt werden, eine Einregelung gewünschter, verdichter- und turbinenseitiger Drehmomente ist hierbei aber nicht möglich. Es kann also kein vollvariabler Betrieb des Turboladers dargestellt werden.
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Im Sinne der Erfindung sind die beiden Elektromaschinen und auch das Getriebe bevorzugt axial zwischen dem Turbinen- und dem Verdichterrad liegend in einem Gehäuse des Abgasturboladers aufgenommen. Besonders bevorzugt liegt das Getriebe dabei zwischen den beiden Elektromaschinen, wobei ggf. auch eine anderweitige Anordnung denkbar ist, sofern die getriebeseitige Anbindung der einzelnen Komponenten dies zulässt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Getriebe als Planetengetriebe gestaltet, wodurch eine Überlagerung der Drehbewegungen der einzelnen Komponenten auf kompakte Art und Weise ermöglicht wird. In Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Verdichterrad dann mit einem ersten Sonnenrad und das Turbinenrad mit einem zweiten Sonnenrad des Getriebes verbunden. Weiter bevorzugt steht von den Elektromaschinen dabei dann die eine Elektromaschine drehfest mit einem Planetensteg des Getriebes in Verbindung, welcher zumindest ein Planetenrad führt. Das zumindest eine Planetenrad ist dann wiederum einerseits mit beiden Sonnenrädern, sowie andererseits mit einem Hohlrad trieblich gekoppelt, mit dem die jeweils andere Elektromaschine drehfest verbunden ist. Hierdurch wird ein Planetengetriebe ausgestaltet, bei welchem aufgrund der Einbindung der einzelnen Komponenten geeignete Überlagerungen von Drehzahlen und Drehmomenten stattfinden. Zudem kann hierbei ein langsames Laufen der beiden Elektromaschinen bei gleichzeitig schnelllaufenden Turbinen- und Verdichterrädern realisiert werden.
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Alternativ zu der vorgenannten Weiterbildung sind die Elektromaschinen jeweils mit je einem Hohlrad verbunden, wobei die Hohlräder über zumindest ein zwischenliegendes Planetenrad mit den Sonnenrädern trieblich in Verbindung stehen. Auch hierbei kann eine geeignete Ausgestaltung eines Planetengetriebes verwirklicht werden, über das ein vollvariabler Betrieb des Abgasturboladers darstellbar ist.
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Es ist eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung, dass das zumindest eine Planetenrad jeweils als Stufenplanet ausgestaltet ist. Die entsprechenden Außendurchmesser bzw. -verzahnungen für die Koppelung mit den beiden Sonnenrädern und dem oder den Hohlrädern sind dementsprechend bei dem Planetenrad axial nebeneinanderliegend ausgestaltet. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, dass sich das zumindest eine Planetenrad aus zwei drehfest miteinander gekoppelten Einzelrädern zusammensetzt, wobei von diesen Einzelrädern dann das eine Rad mit dem einen Sonnenrad und dem einen Hohlrad in Verbindung steht, während das jeweils andere Rad mit dem anderen Sonnenrad und dem ggf. vorgesehenen, weiteren Hohlrad in Kontakt steht. Erfindungsgemäß führt der Planetensteg des Getriebes besonders bevorzugt mehrere Planetenräder, über welche jeweils eine Verbindung zu den Sonnenrädern und dem oder den Hohlrädern hergestellt ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Planetengetriebe als Zahnradgetriebe gestaltet, d. h. das zumindest eine Planetenrad, die Sonnenräder und das Hohlrad bzw. die Hohlräder stehen untereinander an Verzahnungen in Verbindung, wobei die Verzahnungen dabei bevorzugt als Schrägverzahnungen gestaltet sind. Alternativ dazu ist das Getriebe als Reibradgetriebe ausgeführt, bei welchem dann eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten des Getriebes hergestellt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der hiervon abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden, sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Abgasturboladers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers entsprechend einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung; und
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3 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie zu erkennen ist, setzt sich dieser Abgasturbolader 1 dabei im Wesentlichen aus einem Verdichterrad 2, einem Turbinenrad 3, zwei Elektromaschinen 4 und 5, sowie einem Getriebe 6 zusammen. In axialer Richtung betrachtet sind das Turbinenrad 3 und das Verdichterrad 2 dabei außenliegend vorgesehen, während das Getriebe 6 in der Mitte und die Elektromaschinen 4 und 5 jeweils zwischen Getriebe 6 und Verdichterrad 2 bzw. Turbinenrad 3 vorgesehen sind.
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Die Komponenten Verdichterrad 2, Turbinenrad 3, sowie Elektromaschinen 4 und 5 sind untereinander über das Getriebe 6 gekoppelt, welches als reduziertes Koppelgetriebe in Form eines Planetengetriebes 7 realisiert ist. Wie aus 1 zu erkennen ist, umfasst dieses Planetengetriebe 7 dabei zwei Sonnenräder 8 und 9, von denen das Sonnenrad 8 mit einer Verdichterwelle 10 des Verdichterrades 2 und das Sonnenrad 9 mit einer Turbinenwelle 11 drehfest verbunden ist. Die Verdichterwelle 10 und die Turbinenwelle 11 liegen dabei koaxial zueinander.
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Radial außen stehen die Sonnenräder 8 und 9 jeweils mit gemeinsamen Planetenrädern 12 im Zahneingriff, die für den gleichzeitigen Zahneingriff sowohl mit dem Sonnenrad 8, als auch mit dem Sonnenrad 9 als Stufenplaneten mit axial nebeneinanderliegenden Verzahnungen ausgestaltet sind und über einen gemeinsamen Planetensteg 13 des Planetengetriebes 7 drehbar gelagert geführt werden. Dieser Planetensteg 13 wiederum ist mit einer Rotorwelle 14 verbunden, die als Hohlwelle umliegend zur Turbinenwelle 11 verläuft und den Planetensteg 13 mit einem Rotor 15 der Elektromaschine 5 verbindet. An einer ihrer Verzahnungen kämmen die Planetenräder 12 zudem mit einem radial umliegenden Hohlrad 16, welches mit einer Rotorwelle 17 eines Rotors 18 der Elektromaschine 4 drehfest gekoppelt ist. Die Rotorwelle 17 verläuft dabei als Hohlwelle zu der Verdichterwelle 10.
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Mit Hilfe des Planetengetriebes 7 werden Drehbewegungen des Verdichterrades 2, des Turbinenrades 3 und der Rotoren 15 und 18 entsprechend miteinander überlagert, wobei durch entsprechende Regelung der beiden Elektromaschinen 4 und 5 Drehzahlen und Drehmomente des Verdichterrades 2 und des Turbinenrades 3 frei eingestellt werden können. Insofern kann ein vollvariabler Betrieb des Abgasturboladers 1 verwirklicht werden, indem zur Einregelung von verdichter- und turbinenseitigen Betriebspunkten über die Elektromaschinen 4 und 5 entsprechende Leistungen zugeführt oder abgezweigt werden. Letzteres ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Turbinenleistung höher ist als die Verdichterleistung oder umgekehrt. Aufgrund des Aufbaus des Planetengetriebes 7 können sowohl das Verdichterrad 2, als auch das Turbinenrad 3 schnelllaufend betrieben werden, während seitens der Elektromaschinen 4 und 5 ein langsamen Laufen der Rotoren 15 und 18 stattfindet.
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Ferner zeigt 2 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers 19 gemäß einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung. Hierbei entspricht diese Ausführungsform im Wesentlichen der Variante nach 1, wobei als einziger Unterschied ein Planetengetriebe 20 im Vergleich zu der Variante nach 1 gespiegelt angeordnet ist. Insofern ist in diesem Fall ein Hohlrad 21 drehfest mit der Rotorwelle 14 und ein Planetensteg 22 drehfest mit der Rotorwelle 17 verbunden. Ferner sind auch die Planetenräder 23, sowie die Sonnenräder 24 und 25 dieses Planetengetriebes 20 im Vergleich zu dem Planetengetriebe 7 in 1 spiegelbildlich vorgesehen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus, sowie der Betriebsweise des Abgasturboladers 19 entspricht die Ausführungsform der vorhergehenden Variante, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Schließlich geht aus 3 noch eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers 26 entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung hervor. Auch diese Ausgestaltungsmöglichkeit entspricht dabei wieder weitestgehend der Variante nach 1, wobei sie sich von der Ausführung nach 1 durch die konkrete Ausgestaltung eines Planetengetriebes 27 unterscheidet. Auch dieses Planetengetriebe 27 verfügt wiederum über zwei Sonnenräder 28 und 29, von denen das Sonnenrad 28 auf der Verdichterwelle 10 und das Sonnenrad 29 auf der Turbinenwelle 11 vorgesehen ist. Zudem stehen beide Sonnenräder 28 und 29 erneut mit gemeinsamen Planetenrädern 30 im Zahneingriff, die hierfür wiederum als Stufenplaneten ausgeführt sind.
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Im Unterschied zu der Variante nach 1 und auch der Ausgestaltung nach 2 stehen die Planetenräder 30 aber an ihren axial nebeneinanderliegenden Verzahnungen mit Hohlrädern 31 und 32 im Zahneingriff, von welchen das Hohlrad 31 mit der Rotorwelle 17 und das Hohlrad 32 mit der Rotorwelle 14 drehfest verbunden ist. Die Planetenräder 30 sind ggf. über einen gemeinsamen Planetensteg miteinander gekoppelt, wobei dieser Planetensteg frei verdrehbar ist. Im Übrigen entspricht die Ausgestaltung nach 3 sonst der Variante nach 1, so dass auf das hierzu Beschriebene Bezug genommen wird.
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Die Planetengetriebe 7, 20 und 27 der einzelnen Varianten nach den 1 bis 3 können abgesehen von einer Gestaltung als Zahnradgetriebe auch als Reibradgetriebe ausgeführt werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltungen eines Abgasturboladers ist dessen vollvariabler Betrieb möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Verdichterrad
- 3
- Turbinenrad
- 4
- Elektromaschine
- 5
- Elektromaschine
- 6
- Getriebe
- 7
- Planetengetriebe
- 8
- Sonnenrad
- 9
- Sonnenrad
- 10
- Verdichterwelle
- 11
- Turbinenwelle
- 12
- Planetenrad
- 13
- Planetensteg
- 14
- Rotorwelle
- 15
- Rotor
- 16
- Hohlrad
- 17
- Rotorwelle
- 18
- Rotor
- 19
- Abgasturbolader
- 20
- Planetengetriebe
- 21
- Hohlrad
- 22
- Planetensteg
- 23
- Planetenrad
- 24
- Sonnenrad
- 25
- Sonnenrad
- 26
- Abgasturbolader
- 27
- Planetengetriebe
- 28
- Sonnenrad
- 29
- Sonnenrad
- 30
- Planetenrad
- 31
- Hohlrad
- 32
- Hohlrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011005825 A1 [0002, 0008]
