DE19938624A1 - Abgasturbolader - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die über eine Turbinenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist, wobei auf der Turbinenwelle ein Elektromotor angeordnet ist, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbunden ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß der Elektromotor ein Reluktanzmotor ist. Durch die geringeren rotierenden Massen und Massenträgheitsmomente wird das dynamische Ansprechverhalten wesentlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Abgasturbolader werden sowohl für selbstzündende als auch fremdgezündete Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Qualitätsrege­ lung oder Quantitätsregelung eingesetzt, um die Leistung zu steigern, indem durch komprimierte Luft die Zylinderladung verbessert und die Expansionsenergie der Verbrennungsgase ver­ mehrt genutzt wird. Auch kann das Prinzip an einer Brennstoff­ zelle eingesetzt werden, um komprimierte Luft zuzuführen und die Expansionsenergie vermehrt zu nutzen.

Abgasturbolader sind bewährte Hilfsaggregate mit einem einfa­ chen Aufbau und einer langen Lebensdauer. Sie bestehen in der Regel aus einer Abgasturbine, die triebmäßig mit einem Krei­ selverdichter verbunden ist. Nachteilig ist, daß die Abgastur­ bine schlecht zu regeln ist und daß in manchen Betriebsberei­ chen, in denen die Brennkraftmaschine einen erhöhten Ladedruck benötigt, keine ausreichende Abgasmenge zur Verfügung steht, um ohne Verzögerung den Verdichter hochfahren zu können.

Aus der DE 195 18 317 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Betrieb eines elektrisch unterstützten Turboladers bekannt, bei der zwischen einer Abgasturbine und einem Krei­ selverdichter auf einer Verbindungswelle der Laufräder der Ro­ tor eines zwölfpulsigen Asynchronmotors angeordnet ist. Mit Hilfe des Elektromotors kann der Verdichter unabhängig von dem jeweiligen Anfall an Abgas auf eine entsprechende Drehzahl ge­ bracht werden, so daß in Abhängigkeit von beliebigen Betriebs­ parametern ein gewünschter Ladedruck erzeugt werden kann. Ob­ wohl die Rotormasse nur halb so groß ist und dessen Massen­ trägheitsmoment nur ein Viertel konventioneller Drehstrommoto­ ren ausmacht, ist die Gesamtmasse der Laufräder, der Verbin­ dungswelle und des Rotors und damit das Massenträgheitsmoment so groß, daß sich kein zufriedenstellendes dynamisches An­ sprechverhalten ergibt.

Aus der DE A 136 23 676 ist ein Abgasturbolader bekannt, der zusätzlich von der Brennkraftmaschine über ein hydrostatisches Getriebe und ein mechanisches Getriebe mit einem Freilauf zu­ sätzlich angetrieben wird. Dabei kann der Freilauf unmittelbar auf der Verbindungswelle zwischen der Abgasturbine und dem Kreiselverdichter angeordnet sein, so daß der zusätzliche An­ trieb vom Antrieb der Abgasturbine entkoppelt ist. Diese Lö­ sung ist sehr aufwendig, da eine Hydraulikpumpe, ein Hydrau­ likmotor und ein mechanisches Getriebe mit einer entsprechen­ den Steuerung und Regelung erforderlich sind. Ferner beanspru­ chen die Aggregate einen bedeutenden Bauraum, der in Kraft­ fahrzeugen nicht immer zur Verfügung steht. Ferner ist das Hy­ drauliksystem mit seinen hohen Drücken eine ständige Gefahren­ quelle für die Umwelt, da bei Leckagen oder Unfällen belasten­ des Hydraulikmedium in die Umgebung gelangen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Ansprechverhal­ ten eines gattungsgemäßen Abgasturboladers zu verbessern. Die­ se Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung wird bei einem gattungsgemäßen Turbolader vorgeschlagen, daß der Elektromotor ein Reluktanzmotor ist. Der Rotor des Reluktanzmotors, der triebmäßig mit dem Laufrad des Kreiselverdichters verbunden ist, besitzt eine außerge­ wöhnlich geringe Masse. Dadurch ist sein Massenträgheitsmoment sehr niedrig und das Ansprechverhalten des Abgasturboladers sehr gut. Ferner ist der Reluktanzmotor sehr einfach im Aufbau und sehr robust. Die Stromversorgung ist keine zusätzliche Ge­ fahrenquelle für die Umwelt.

Um die Masse des Rotors von der Masse des Turbinenlaufrads zu entkoppeln, wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vor­ geschlagen, daß die Turbinenwelle über eine in Antriebsrich­ tung sperrende Überholkupplung mit dem Rotor oder einer Ver­ dichterwelle des Verdichterlaufrads koppelbar ist. Dadurch kann der Verdichter mit einem relativ kleinen Reluktanzmotor sehr schnell hoch gefahren werden. Ferner braucht die Abga­ sturbine bis zum Ansprechen der Überholkupplung nur die Masse des Turbinenlaufrads zu beschleunigen.

Der Reluktanzmotor benötigt nur einen geringen Bauraum zwi­ schen der Abgasturbine und dem Kreiselverdichter. Er überragt diese beiden Aggregate in radialer Richtung nicht. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Rotor des Reluktanzmotors drehbar im Motorgehäuse gelagert und an einem Ende fest mit der Verdich­ terwelle verbunden ist. Dadurch kann der Rotor an dem Ende, das der Verdichterwelle zugewandt ist, über die Verdichterwel­ le im Motorgehäuse gelagert werden. Die Turbinenwelle wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung günstig im Rotor gela­ gert. Somit beansprucht die Lagerung der Turbinenwelle keinen zusätzlichen axialen Bauraum.

Um das Ansprechverhalten des Abgasturboladers in einem Be­ triebsbereich weiter zu verbessern, wenn der Kreiselverdichter von der Abgasturbine angetrieben wird, ist es zweckmäßig, daß der Rotor über eine in Antriebsrichtung sperrende Überholkupp­ lung triebmäßig mit der Verdichterwelle verbunden ist. Dadurch kann der Abgasturbolader in diesen Betriebsbereichen arbeiten, wie wenn kein Elektromotor vorhanden wäre.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent­ halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ab­ gasturbolader,

Fig. 2 einen Schnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Variante zu Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader 1 besitzt eine Abgastur­ bine 2 und einen Kreiselverdichter 3. Der Abgasturbine 2 strömt über ein doppelflutiges Turbinengehäuse 5 Abgas von ei­ ner nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine zu, das ein Turbinenlaufrad 6 antreibt und über einen Turbinenaustritt 7 in eine nicht näher dargestellte Abgasleitung strömt. Das Tur­ binenlaufrad 6 ist mit einer Trubinenwelle 8 verbunden, die durch Kugellager 11 in einem Rotor 12 eines Reluktanzmotors 4 gelagert ist. Die Turbinenwelle 8 ist triebmäßig mit dem Rotor 12 über eine Überholkupplung 17 koppelbar, die in Antriebs­ richtung sperrt, so daß das Drehmoment des Turbinenlaufrads 6 auf den Rotor 12 übertragen wird, wenn sich die Turbinenwelle 8 schneller dreht als der Rotor 12.

Der Rotor 12 ist am turbinenseitigen Ende über ein Wälzlager 9 in einem Lagerdeckel 10 eines Motorgehäuses 26 des Reluktanz­ motors 4 gelagert. An seinem anderen Ende ist der Rotor 12 an einer Verdichterwelle 18 befestigt, die ein Verdichterlaufrad 23 trägt und über ein Wälzlager 20 in einem weiteren Lagerdec­ kel 19 des Motorgehäuses 26 gelagert ist. Somit ist der Rotor 12 an diesem Ende über die Verdichterwelle 18 im Motorgehäuse 26 gelagert. Da der Rotor 12 und die Verdichterwelle 18 fest miteinander verbunden sind, ist es unerheblich, ob die Turbi­ nenwelle 8 durch die Überholkupplung 17 mit dem Rotor 12 oder direkt mit der Verdichterwelle 18 koppelbar ist.

Das Verdichterlaufrad 23 saugt über eine Einlaßöffnung 24 Luft an und fördert diese in einen Diffusor 22 eines Spiralgehäuses 21, der einen Auslaßstutzen 25 besitzt. An diesen schließt sich eine nicht näher dargestellte Ladeluftleitung der Brenn­ kraftmaschine an.

Das Motorgehäuse 26, das an seinem Umfang Kühlkanäle 27 auf­ weist, umschließt einen Stator 13 mit Wicklungen 14, die elek­ tromagnetische Pole ausbilden und mit Polen 16 des Rotors 12 zusammenwirken. Die axial über den Stator 13 herausragenden Wickelköpfe sind mit 15 bezeichnet (Fig. 1). Durch den Reluk­ tanzmotor 4 kann das Verdichterlaufrad 23 zusätzlich oder al­ lein angetrieben werden, sobald der Rotor 12 schneller läuft als die Turbinenwelle 8. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Turbinenwelle 8 mit der Verdichterwelle 18 und dem Ro­ tor 12 einstückig ausgebildet sind.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausfüh­ rung nach Fig. 1 durch eine zusätzliche Überholkupplung 28, über die der Rotor 12 auf die Verdichterwelle 18 treibt. Läuft der Rotor 12 langsamer als die Verdichterwelle 18, ist die Verdichterwelle 18 von dem Rotor 12 entkoppelt. In diesem Fall treibt die Turbinenwelle 8 über die Überholkupplung 17 unmit­ telbar auf die Verdichterwelle 18, so daß die Abgasturbine 2 durch die Masse des Rotors 12 nicht beeinflußt wird und für das dynamische Ansprechverhalten lediglich die geringen Massen und Massenträgheitsmomente der Laufräder 6, 23 und der Turbi­ nenwelle 8 sowie der Verdichterwelle 18 bedeutsam sind.

Claims (6)

1. Abgasturbolader mit einer Abgasturbine, die über eine Tur­ binenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist, wobei auf der Turbinenwelle ein Elektromotor angeordnet ist, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein Re­ luktanzmotor (4) ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinenwelle (8) über eine in Antriebsrichtung sper­ rende Überholkupplung (17) mit dem Rotor (12) oder einer Ver­ dichterwelle (18) koppelbar ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) des Reluktanzmotors (4) drehbar im Motorge­ häuse (26) gelagert und an einem Ende mit der Verdichterwelle (18) verbunden ist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) an einem Ende über die Verdichterwelle (18) im Motorgehäuse (26) gelagert ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Turbinenwelle (8) im Rotor (12) gelagert ist.

6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) über eine in An­ triebsrichtung sperrende Überholkupplung (28) triebmäßig mit der Verdichterwelle (18) verbunden ist.