DE102013205623A1

DE102013205623A1 - Turboladereinheit und Verfahren zum Betrieb einer Turboladereinheit

Info

Publication number: DE102013205623A1
Application number: DE201310205623
Authority: DE
Inventors: Istvan Horvath; Jochen Kinzig; Jean-Francois Heyd
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2013-10-24
Also published as: CN103375246B; CN103375246A

Abstract

Es ist eine Turboladereinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Antriebseinheit, die ein Verdichterrad zum Verdichten von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs und ein über eine Turboladerwelle mit dem Verdichterrad koppelbaren Turbinenrad zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine aufweist, und einer elektrischen Maschine zum Beschleunigen und/oder Abbremsen der Antriebseinheit, wobei die elektrische Maschine ein Magnetgetriebe zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit aufweist. Durch die Vermeidung von mechanischen Reibkontakten in dem Magnetgetriebe ist für den Antriebsstrang ein guter Wirkungsgrad ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turboladereinheit und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Turboladereinheit, mit deren Hilfe Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine durch die kinetische Energie eines von der Verbrennungskraftmaschine kommenden Abgases aufgeladen werden kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Betrieb eins Kraftfahrzeuges mit einer Verbrennungskraftmaschine.
Aus DE 10 2010 011 027 A1 ist eine Turboladereinheit mit einer Antriebseinheit bekannt, bei der ein Verdichterrad zum Verdichten von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs über eine Turboladerwelle mit einem Turbinenrad zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Mit der Turboladerwelle der Antriebseinheit ist mittelbar über eine mechanische Stirnradverzahnung eine elektrische Maschine permanent angekoppelt, die alternierend als Antriebsmotor oder Generator betrieben wird.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis den Wirkungsgrad eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug zu erhöhen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die einen guten Wirkungsgrad für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Turboladereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen von Anspruch 2, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Turboladereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Erfindungsgemäß ist eine Turboladereinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer Antriebseinheit, die ein Verdichterrad zum Verdichten von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs und ein über eine Turboladerwelle mit dem Verdichterrad koppelbaren Turbinenrad zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine aufweist, und einer elektrischen Maschine zum Beschleunigen und/oder Abbremsen der Antriebseinheit, wobei die elektrische Maschine ein Magnetgetriebe zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit aufweist.
Da die elektrische Maschine nicht über eine reibungsbehaftete Zahnradverbindung mit der Antriebseinheit gekoppelt wird, kann das Ausmaß an mechanischer Reibung verringert werden. Eine mechanische Reibungskupplung zwischen der elektrischen Maschine und der Antriebseinheit sowie ein wirkungsgradreduzierender mechanischer Kontakt innerhalb des Magnetgetriebes kann vermieden werden. Insbesondere ist es möglich für die Turboladereinheit einen Betriebszustand vorzusehen, in dem die elektrische Maschine die Antriebseinheit im Wesentlichen weder beschleunigt noch abbremst sondern im Wesentlichen abgeschaltet ist, ohne dass in diesem Betriebszustand Wirkungsgradverluste durch mechanische Reibung für die Ankoppelungsmöglichkeit der elektrischen Maschine entstehen. Durch die Drehzahlwandlung des Magnetgetriebes kann die von der elektrischen Maschine bereitstellbare Drehzahl auf die Drehzahl der Turboladerwelle übersetzt werden. Da die Drehzahl der Turboladerwelle häufig sehr hoch sein kann, beispielsweise bis zu 290.000 U/min, ermöglicht die Drehzahlwandlung des Magnetgetriebes geringe Anforderungen an den Aufbau der elektrischen Maschine und ermöglicht einen wirkungsgradeffizienten Aufbau. Das Magnetgetriebe kann insbesondere einen Stator oder Rotor der elektrischen Maschine aufweisen, der über elektrische Leitungen mit einer elektrischen Energiequelle und/oder Energiesenke, beispielsweise eine Kraftfahrzeugbatterie, verbunden ist. Dadurch kann ein magnetisches Feld aufgebaut werden, das über ein zwischengeschaltetes Drehzahlwandlungselement einen drehzahlgewandelten Rotor antrieben kann, der vorzugsweise direkt mit einem Bauteil der Antriebseinheit verbunden sein kann. Insbesondere ist es möglich, dass Funktionselemente des Magnetgetriebes gleichzeitig Funktionselemente der elektrischen Maschine sind, so dass ein Bauteil sowohl eine Funktion für das Magnetgetriebe als auch eine Funktion der elektrischen Maschine ausüben kann. Das Magnetgetriebe kann insbesondere Bauelemente aufweisen, die zwei oder mehr magnetische Pole aufweisen. Die Pole können permanetmagnetisch bereitgestellt sein, beispielsweise indem ein ferromagnetischer Teil des Bauelements magnetisiert wurde und/oder indem ein Permanentmagnet mit dem Bauelement verbunden wurde. Zusätzlich oder alternativ können die magnetischen Pole erst bei Bedarf ausgebildet werden, beispielsweise mit Hilfe von elektrisch betreibbaren Elektromagneten.
In einem Betriebszustand, in dem aus einem niedrigen Drehzahlbereich heraus beschleunigt werden soll, obwohl noch kein ausreichend starker Abgasstrom zum Antrieb des Verdichterrads vorliegt („Turboloch“), kann über die als Antriebsmotor wirkende elektrische Maschine ein Drehmoment in die Antriebseinheit eingeleitet werden, um das Aufladen der Verbrennungskraftmaschine mit Frischluft zu unterstützen und aus dem Drehzahlbereich des Turbolochs schnell heraus zu beschleunigen. Durch das von der elektrischen Maschine eingeleitete Drehmoment erfolgt ein Beschleunigen der Antriebseinheit. Bei hohen Drehzahlen, wenn ein vorgesehener maximaler Druck der aufgeladenen Frischluft erreicht ist und eine Ladedruckregelung zur Begrenzung des Drucks des der aufgeladenen Frischluft einsetzen soll, kann über die als Generator wirkende elektrische Maschine ein Drehmoment aus der Antriebseinheit ausgeleitet werden, so dass es nicht erforderlich ist für den Abgasstrom einen an dem Turbinenrad vorbeiführenden Bypass vorzusehen. Ein Wastegate zum Einstellen eines entsprechenden Bypassstroms kann dadurch entfallen. Insbesondere kann im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine elektrische Energie erzeugt werden, die insbesondere gespeichert und in einem Turboloch-Betriebszustand wiederverwendet werden kann, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert ist. Es ist auch möglich die im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine erzeugte elektrische Energie im Wesentlichen ohne gesonderte Zwischenspeicherung unmittelbar zu nutzen. Durch das von der elektrischen Maschine ausgeleitete Drehmoment erfolgt ein Abbremsen der Antriebseinheit. Vorzugsweise ist eine Steuereinheit mit der elektrischen Maschine verbunden, die mit Hilfe der elektrischen Maschine eine Ladedruckregelung durchführt. Eine Regelung des von der elektrischen Maschine aufbringbaren Bremsmoments kann beispielsweise durch Pulswellenmodulation erfolgen, wodurch der Zeitraum, in dem die elektrische Maschine die Antriebseinheit bremst, geregelt werden kann, um ein bestimmtes zeitlich gemitteltes Bremsmoment zur Begrenzung des Drucks des der aufgeladenen Frischluft ansteuern zu können.
Das Verdichterrad kann Teil eines Verdichters sein, der in einem Ansaugkanal eines Luftkanalsystems für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Ein Verdichtergehäuse für den Verdichter kann durch den Ansaugkanal selbst ausgebildet sein. Das Verdichterrad kann in dem Ansaugkanal Frischluft von einer Saugseite her ansaugen, komprimieren und an einer Druckseite mit einem höheren Druck wieder abgeben, so dass die aufgeladene Frischluft mit einem erhöhten Masse pro Volumen Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden kann. Das Turbinenrad kann Teil einer Turbine sein, die in einem Abgaskanal des Luftkanalsystems vorgesehen ist. Ein Turbinengehäuse für die Turbine kann durch den Abgaskanal selbst ausgebildet sein. Das Turbinenrad kann von dem von der Brennkraftmaschine ausgestoßenem Abgas angetrieben werden, indem dem Abgas kinetische Energie entzogen wird. Hierbei kann der Staudruck des Abgases (Stauaufladung) und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases (Stoßaufladung) genutzt werden. Das Turbinenrad und das Verdichterrad können über die Turboladerwelle gekoppelt sein, so dass das Turbinenrad und das Verdichterrad mit der gleichen Drehzahl drehen können.
Die hier verkörperte allgemeine Idee über eine elektrische Maschine und ein Magnetgetriebe mit den oben genannten Vorteilen die erzeugte elektrische Energie unmittelbar oder mittelbar über einen Speicher zu nutzen, lässt sich erfindungsgemäß auch alternativ nutzen ohne eine Antriebseinsheit mit einem Verdichterrad bereitzustellen. Hierfür ist erfindungsgemäß eine entsprechende Vorricchtung vorgesehen, die eine Antriebseinheit aufweist, welche mittels einem Turbinenrad dem Abgas kinetische Energie entnimmt, und eine elektrische Maschine zum Beschleunigen und/oder Abbremsen des Turbinenrades bereitstellt. Die elektrische Maschine weist dabei weiterhin ein Magnetgetriebe zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit auf. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um eine Verdichterfreie Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges. Durch den Verzicht auf einen Verdichter kann diese Vorrichtung die beschriebenen Vorteile des Turbinenrades mit der hieran über ein Magnetgetriebe gekoppelten elektrischen Maschine auch für Kraftfahrzeuge nutzbar machen, die keine Verdichtung von Frischluft benötigen oder verwenden können.
Insbesondere ist das Magnetgetriebe elektrisch schaltbar. Dies erleichtert es die elektrische Maschine mit der Antriebseinheit zu koppeln und/oder von der Antriebseinheit abzukoppeln. Hierfür ist es nicht erforderlich ein Bauteil des Magnetgetriebes oder der elektrischen Maschine in axialer Richtung relativ zu den übrigen Bauteilen zu verschieben, um eine magnetische Koppelung dieser Bauteile aufzuheben. Insbesondere kann eine durch Elektromagneten erreichte magnetische Koppelung durch ein Abschalten der Elektromagnete schnell und einfach aufgehoben beziehungsweise durch ein Einschalten der Elektromagnete herbeigeführt werden.
Vorzugsweise ist die Turboladerwelle zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad einstückig ausgestaltet ist. Die Turboladerwelle kann als ein durchgängiges Kontinuum von dem Verdichterrad bis zum Turbinenrad verlaufen. Zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad vorgesehene Reibungskupplungen können vermieden werden, so dass für die Drehmomentübertragung zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad ein hoher Wirkungsgrad gegeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Magnetgetriebe entsprechend zu einem Planetengetriebe mit einem Sonnenrad, mindestens einem Planetenrad und einem Hohlrad ausgestaltet ist, wobei das Sonnenrad mit dem Planetenrad und/oder das Planetenrad mit dem Hohlrad über einen Luftspalt hinweg zur Drehmomentübertragung magnetisch koppelbar ist, wobei insbesondere das Sonnenrad direkt mit der Antriebseinheit verbunden ist. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass das Hohlrad den Stator oder Rotor der elektrischen Maschine ausbildet, über den ein elektrisch erzeugtes Drehmoment eingeleitet wird. Dieses Drehmoment kann mit Hilfe des magnetisch angebundenen Planetenrads derart gewandelt werden, dass das Sonnenrad mit einer erhöhten Drehzahl das Drehmoment an die Antriebseinheit abgeben kann. Je nach Wahl der Durchmesser für das Hohlrad, das Planetenrad und das Sonnenrad kann ein geeignetes Übersetzungsverhältnis für das Magnetgetriebe eingestellt werden. Insbesondere ist es möglich durch ein Abbremsen eines Bauteils des Magnetgetriebes das Übersetzungsverhältnis des Magnetgetriebes zu variieren. Da das Sonnenrad, das Planetenrad und das Hohlrad jeweils über einen Luftspalt voneinander getrennt sind, werden Reibungsverluste, insbesondere wenn eine Drehmomentübertragung über das Planetengetriebe unterbrochen ist, vermieden. Durch den fehlenden Kontakt relativ zueinander bewegter Bauteile kann das Magnetgetriebe mit extrem hohen Drehzahlen betrieben werden, die es insbesondere ermöglichen können die Antriebseinheit mit einer Drehzahl von 290.000 U/min oder mehr zu betreiben.
Insbesondere stellt das Magnetgetriebe ein Übersetzungsverhältnis n von 1,0 < n ≤ 10,0, insbesondere 2,5 ≤ n ≤ 8,0, vorzugsweise 4,0 ≤ n ≤ 7,0 und besonders bevorzugt 5,0 ≤ n ≤ 6,0 bereit. Ein derartiges Übersetzungsverhältnis ermöglicht eine hinreichende Übersetzung, um die Antriebseinheit geeignet zu beschleunigen beziehungsweise abzubremsen.
Vorzugsweise weist ein Bauteil des Magnetgetriebes, insbesondere das Hohlrad, mindestens einen Elektromagneten, vorzugsweise eine stromdurchfließbare Spule, auf. Wenn der Elektromagnet bestromt wird, kann sich ein elektromagnetisches Feld aufbauen, das eine Drehmomentübertragung zwischen der elektrischen Maschine und der Antriebseinheit ermöglicht. Wenn der Elektromagnet nicht bestromt wird, fehlt das entsprechende elektromagnetische Feld, wodurch eine Drehmomentübertragung in dem Magnetgetriebe unterbrochen ist. Die über das fehlende elektromagnetische Feld abgekoppelten Bauteile werden dabei im Wesentlichen nicht von der Antriebseinheit mitgeschleppt, wodurch Wirkungsgradverluste vermieden sind. Insbesondere kann dadurch das an der Antriebseinheit angreifende Trägheitsmoment rotierender Massen reduziert werden, wodurch das Beschleunigen und Abbremsen der Antriebseinheit schneller und mit geringeren Wirkungsgradverlusten erfolgen kann.
Besonders bevorzugt weist das Magnetgetriebe ein Getriebegehäuse auf, das insbesondere die Planetenräder trägt, wobei das Getriebegehäuse gegenüber der Antriebseinheit abgedichtet ist. In dem Getriebegehäuse kann ein Unterdruck oder ein weitgehendes Vakuum vorliegen, so dass Wirkungsgradverluste durch ionisierte Teilchen vermieden werden können. Ferner kann eine Erwärmung des Magnetgetriebes durch Luftreibung vermieden werden. Das Getriebegehäuse kann gleichzeitig als Planetenträger wirken, welches das mindestens eine Planetenrad drehbar lagert. Das Getriebegehäuse kann unbeweglich ausgestaltet sein, indem es beispielsweise fest in dem Kraftfahrzeug montiert ist. Es ist auch möglich, dass das Getriebegehäuse drehbar befestigt ist, wobei das Getriebegehäuse insbesondere mir einer von der Antriebseinheit verschiedenen Drehzahl und/oder einer von der Antriebseinheit verschiedenen Drehrichtung drehen kann.
Insbesondere ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Magnetgetriebes vorgesehen, wobei die Kühleinrichtung insbesondere wassergekühlt oder ölgekühlt ist. Durch die Kühlung der Kühleinrichtung kann eine Entmagnetisierung der Bauteile des Magnetgetriebes vermieden werden. Hierzu kann insbesondere Kühlwasser verwendet werden, das auch für die Wasserkühlung der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird. Ferner ist es möglich für Die Kühleinrichtung Öl zu verwenden, das beispielsweise aus einem Ölsumpf der Verbrennungskraftmaschine entnommen wird. Dadurch ist es nicht erforderlich ein weiteres Kühlmedium vorzusehen, sondern es kann ein bereits vorhandenes Kühlmedium genutzt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Luftkanalsystem für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Ansaugkanal zum Ansaugen von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine, einem Abgaskanal zum Ausstoßen von Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine und einer Turboladereinheit, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei das Verdichterrad in dem Ansaugkanal und das Turbinenrad in dem Abgaskanal angeordnet sind. Durch die Vermeidung von mechanischen Reibkontakten in dem Magnetgetriebe ist für den Antriebsstrang ein guter Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Luftkanalsystem, das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann. Durch die Vermeidung von mechanischen Reibkontakten in dem Magnetgetriebe ist für den Antriebsstrang ein guter Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Turboladereinheit, die wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann und/oder eines Luftkanalsystems das wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, bei dem unterhalb einer Turbolochdrehzahl von der elektrischen Maschine ein Drehmoment in die Antriebseinheit eingeleitet wird, oberhalb einer Ladedruckregelungsdrehzahl von der elektrischen Maschine ein Drehmoment von der Antriebseinheit, insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, abgeleitet wird und zwischen der Turbolochdrehzahl und der Ladedruckregelungsdrehzahl die elektrische Maschine von der Antriebseinheit abgekoppelt wird. Unterhalb der Turbolochdrehzahl, die insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Beschleunigung verschieden gewählt sein kann, kann die Antriebseinheit von der elektrischen Maschine beschleunigt werden. Oberhalb der Ladedruckregelungsdrehzahl kann die Antriebseinheit von der elektrischen Maschine gebremst werden, damit die aufgeladene Frischluft einen vorgesehenen Maximaldruck nicht überschreitet. Zwischen der Turbolochdrehzahl und der Ladedruckregelungsdrehzahl kann die elektrische Maschine abgeschaltet werden, wobei in diesem Betriebszustand das an der Antriebseinheit angreifende Schleppmoment reduziert werden kann. Durch die Vermeidung von mechanischen Reibkontakten in dem Magnetgetriebe ist für den Antriebsstrang ein guter Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Turbolochdrehzahl ist eine vorgegebene und/oder beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegte Drehzahl der Antriebseinheit oder eine Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine, unterhalb der noch kein ausreichend starker Abgasstrom zum Antrieb des Verdichterrads vorliegt, um eine ausreichend komfortable Beschleunigung des Kraftfahrzeugs erreichen zu können („Turboloch“). Die Ladedruckregelungsdrehzahl ist eine vorgegebene und/oder beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegte Drehzahl der Antriebseinheit oder eine Nenndrehzahl der Verbrennungskraftmaschine, oberhalb der ein vorgesehener maximaler Druck der aufgeladenen Frischluft überschritten wird und daher eine Ladedruckregelung einsetzen soll, durch die ein Überschreiten des maximalen Drucks der aufgeladenen Frischluft durch ein Abzweigen des an der Antriebseinheit angreifenden Drehmoments an die elektrische Maschine und des dadurch erreichten Abbremsens der Antriebseinheit vermieden werden soll.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
1: eine schematische Prinzipdarstellung einer Turboladereinheit in einer ersten Ausführungsform,
2: eine schematische Prinzipdarstellung einer Turboladereinheit in einer zweiten Ausführungsform,
3: eine schematische Prinzipdarstellung einer Turboladereinheit in einer dritten Ausführungsform,
4: eine schematische Prinzipdarstellung einer Turboladereinheit in einer vierten Ausführungsform,
5: eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges in einer ersten Ausführungsform,
6: eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges in einer zweiten Ausführungsform,
7: eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges in einer dritten Ausführungsform, und
8: eine schematische Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges in einer vierten Ausführungsform,
Die in 1 dargestellte Turboladereinheit 10 weist eine Antriebseinheit 12 mit einem Verdichterrad 14 auf, mit dem zu einer Verbrennungskraftmaschine geförderte Frischluft verdichtet werden kann. Das Verdichterrad 14 ist über eine ununterbrochen einstückig durchgehende Turboladerwelle 16 mit einem Turbinenrad 18 der Antriebseinheit 12 drehfest verbunden, das von einem von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenem Abgas angetrieben werden kann. Die Antriebseinheit 12 kann mit dem Verdichterrad 14, der Turboladerwelle 16 und dem Turbinenrad 18 als eine gemeinsame zusammengehörige Baueinheit mit der selben Drehzahl drehen, die beispielsweise bis 290.000 U/min betragen kann. An die Antriebseinheit 12 kann eine elektrische Maschine 20 angekoppelt werden, um durch einen Drehmomenteintrag in einer Turboloch-Situation die Antriebseinheit 12 zu beschleunigen und/oder durch einen Drehmomententzug in einer Ladedruckregelungssituation die Antriebseinheit 12 abzubremsen. Die elektrische Maschine 20 weist ein in der Art eines Planetengetriebes ausgestaltetes Magnetgetriebe 22 auf, wodurch die elektrische Maschine 20 derart an die Antriebseinheit angekoppelt werden kann, dass eine Drehmomentübertragung zwischen der elektrischen Maschine 20 und der Antriebseinheit 12 sowohl berührungslos als auch drehzahlübersetzt erfolgen kann. Das Magnetgetriebe 22 weist hierzu ein Sonnenrad 24 auf, das magnetisch mit mindestens einem Planetenrad 26 zusammenwirken kann, das wiederum magnetisch mit einem Hohlrad 28 zusammenwirken kann. Die Drehmomentübertragung und Drehzahlwandlung erfolgt im Wesentlichen magnetisch, so dass jeweils zwischen dem Sonnenrad 24 und dem Planetenrad 26 sowie zwischen dem Planetenrad 26 und dem Hohlrad 28 ein Luftspalt 30 vorgesehen ist.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sonnenrad direkt mit der Turboladerwelle 16 beispielsweise über eine Steckverzahnung drehfest verbunden. Das Hohlrad 28 kann Elektromagneten aufweisen, die elektrisch ein- und ausgeschaltet werden können. Mit Hilfe der Elektromagneten des Hohlrads 28 kann eine magnetische Koppelung zwischen dem Hohlrad 28 und dem Planetenrad 26 herbeigeführt werden, um ein Drehmoment zwischen dem Hohlrad 28 und dem Planetenrad 26 zu übertragen. Das Planetenrad 26 kann ein Drehmoment an das Sonnenrad 24 übertragen, wodurch im Vergleich zum Hohlrad 28 das Sonnenrad 24 mit einer übersetzten Drehzahl drehen kann. Das Hohlrad 28 kann insbesondere bewegungsfest fixiert sein und still stehen, das heißt nicht rotieren, so dass die Elektromagneten des Hohlrads 28 einfach mit elektrischen Leitungen verbunden werden können.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 weist im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 das Magnetgetriebe 22 zusätzlich ein Getriebegehäuse 32 auf, das insbesondere auch ein Planetenträger für die Planetenräder 26 sein kann. Das Getriebegehäuse 32 kann gegenüber der Antriebseinheit 12 abgedichtet sein, um beispielsweise innerhalb des Getriebegehäuses 32 einen Unterdruck vorzusehen. Das Getriebegehäuse 32 kann bewegungsfest stillstehen oder um die Mittelachse der Turboladerwelle 16 drehbar gelagert sein. Das Hohlrad 28 kann mit dem Getriebegehäuse 32 drehfest verbunden sein. Ferner ist es möglich die Planetenräder 26 um sich selbst rotierbar mit dem Getriebegehäuse 32 zu verbinden. Das Getriebegehäuse 32 kann hierzu beispielsweise abstehende Bolzen aufweisen, auf denen das jeweilige Planetenrad 26 drehbar gelagert ist. Insbesondere kann das Getriebegehäuse 32 von einem Kühlmedium 34, beispielsweise Kühlwasser oder Kühlöl, durchflossen sein, um das Magnetgetriebe 22 zu kühlen.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 ist im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 das Sonnenrad 24 nicht direkt mit der Turboladerwelle 16 sondern direkt mit dem Verdichterrad 14 verbunden. Alternativ kann das Sonnenrad 24 statt mit der Turboladerwelle 16 direkt mit dem Turbinenrad 18 verbunden sein. Das Sonnenrad 24 ist insbesondere als Hohlzylinder ausgestaltet, der in radialer Richtung zu der Turboladerwelle 16 beabstandet angeordnet ist.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 ist im Vergleich zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Turboladereinheit 10 das Sonnenrad 24 nicht direkt mit der Turboladerwelle 16 sondern direkt mit dem Verdichterrad 14 verbunden. Alternativ kann das Sonnenrad 24 statt mit der Turboladerwelle 16 direkt mit dem Turbinenrad 18 verbunden sein.
Während in den 1 bis 4 jeweils Turboladereineheiten 10 in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gezeigt sind, zeigen die 5 bis 8 unterschiedliche Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung für den Betrieb eines Kraftfahrzeuges, die im Wesentlichen auf der gleichen Idee der Verwendung eines Magnetgetriebes 20 basiert, aber kein Verdichterrad 14 aufweist und somit auch keine Turboladereinheit darstellt. Bis auf die Verdichtermerkmale sind diese Ausführungsbeispiele aber im Wesentlichen identisch mit den Turboladereinheiten 10 der 1 und 2, so dass hier die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente verwendet werden.
Die 5 zeigt eine Vorrichtung für den Betrieb eines Kraftfahrzeuges, die dem Beispiel der Turboladereinheit 10 der 1 folgt, nur keinen Verdichter 14 aufweist. Für die entsprechende Beschreibung wird daher auf die 1 verwiesen.
In der 6 wird eine ähnliche Vorrichtung wie in 5 nur in einer Ausführungsform gemäß 2 gezeigt. Für den Aufbau, bis auf den Verdichter wird daher auf 2 verwiesen.
Die 7 und 8 entsprechen den Beispielen der 4 und 5, mit dem Unterschied, dass hier beispielhaft gezeigt ist, dass statt einer radialen Turbine 18 hier genause axiale Turbinen 43 verwendet werden können.
Die in den 5 bis 8 dargestellen Varianten der Erfindung stellen im Wesentlichen Generatoren im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors dar. Über einen hier nicht gezeigten Energiespeicher kann die Turbine 18, 43 über das Magnetgetriebe 22 beschleunigt werden. Wenn die die Turbine 18, 43 genug Leistung für das Getriebe liefern kann, dann bremst das Getriebe 22 die die Welle 44 mit einem negativen Moment. Aus der Bremsleistung wird Strom mittels der elektrischen Maschine 20 über das Getriebe 22 gewonnen, welches jetzt als Generator fungiert. Die maximale elektrische Energie kann das Getriebe 22 nur mittels der elektrischen Steuerung 42 liefern, welches über die Verbindung 41 an das magnetische Getriebe 22 angebunden ist. Über diese Ansteuerung des Getriebes 22 wird entsprechend auch die Drehzahl der Turbine 18, 43 gesteuert, so dass eine optimale Betriebsdrehzahl, z.B. durch Abbremsen oder Beschleunigen erreicht werden kann. Um sowohl eine Steuerung, als auch eine Regelung des Getriebes 22, bzw. der Turbine 18, 43 zu ermöglichen kann die Steuerung 41 an das BUS System des Kraftfahrzeuges angeschlossen sein und beispielsweise mit der Motorsteuerung kommunizieren.
Mittels des gewonnen Stroms in der hier beschriebenen verdichterfreien Generatorschaltung kann der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs erhöht werden. Die Energie kann gespeichert oder für ein elektrisches Agregat, wie z.B. Klimaalage, Servosystem oder Luftkompressor verwendet werden.
Als weiterer Vorteil ergibt sich die nun mögliche Ansteuerung zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Motors, wobei nach der Zündung des Motors (Winkelposition der Kurbelwelle 0°–X° nach der Zündung; 0° < X° < 180°) die thermische Energie mit der Kurbelwelle in mechanische Energie umgewandelt wird. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung im Abgasweg des Antriebsstranges darf das Auspuffventil nun früher als gewöhnlich geöffnet werden (Winkelposition der Kurbelwelle X°–180° nach der Zündung; 0° < X° < 180°). Wenn der Kolbenantriebswirkungsgrad schon sinkt, wird bereits die thermische Energie des Abgases mit der Turbine 18, 43 und dem Getriebe 22 in elektrische Energie umgeandelt. In der Auspuffphase des Motors (Winkelposition der Kurbelwelle 180°–X° nach der Zündung; 180° <= X° <= 400°) wird die elektrische Energie aus der Auspuffgasenergie mit der Turbine 18, 43 und dem Getriebe 22 produziert. So kann der Wirkungsgrad des Motors erhöht und die radiale Kraftbelastung der Kurbelwellelagerung sowie die durchschnittliche thermische Belastung der Zylinderwand reduziert werden.
Alterantiv kann statt des magnetischen Getriebes 22 auch direkt ein elektischer Wechsel- oder Glechstromgenerator eingebaut werden. Eine Steuerung der Turbine 18, 43 für einen Betrieb im optimalen Drehzahlbereich wie oben beschrieben ist dann jedoch schwerer möglich.
Bezugszeichenliste

10: Turboladereinheit
12: Antriebseinheit
14: Verdichterrad
16: Turboladerwelle
18: Turbinenrad
20: elektrische Maschine
22: Magnetgetriebe
24: Sonnenrad
26: Planetenrad
28: Hohlrad
30: Luftspalt
32: Getriebegehäuse
34: Kühlmedium
40: Abtriebseinheit
41: elektrische Steurung
42: Verbindung
43: axiale Turbine
44: Welle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010011027 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einer Antriebseinheit (12), die ein Verdichterrad (14) zum Verdichten von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs und ein über eine Turboladerwelle (16) mit dem Verdichterrad (14) koppelbaren Turbinenrad (18) zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine aufweist, und einer elektrischen Maschine (20) zum Beschleunigen und/oder Abbremsen der Antriebseinheit (12) dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung um eine Turboladereinheit handelt und die elektrische Maschine (20) ein Magnetgetriebe (22) zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit (12) aufweist.
Vorrichtung für den Betrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Antriebseinheit (40), die ein Turbinenrad (18) zum Entzug kinetischer Energie aus einem Abgas der Verbrennungskraftmaschine, und eine elektrischen Maschine (20) zum Beschleunigen und/oder Abbremsen des Turbinenrades (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (20) ein Magnetgetriebe (22) zur berührungslosen und drehzahlübersetzten Drehmomentübertragung mit der Antriebseinheit (40) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe (22) elektrisch schaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Turboladerwelle (16) zwischen dem Verdichterrad (14) und dem Turbinenrad (18) einstückig ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe (22) entsprechend zu einem Planetengetriebe mit einem Sonnenrad (24), mindestens einem Planetenrad (26) und einem Hohlrad (28) ausgestaltet ist, wobei das Sonnenrad (24) mit dem Planetenrad (26) und/oder das Planetenrad (26) mit dem Hohlrad (28) über einen Luftspalt (30) hinweg zur Drehmomentübertragung magnetisch koppelbar ist, wobei insbesondere das Sonnenrad (24) direkt mit der Antriebseinheit (12, 40) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe (22) ein Übersetzungsverhältnis n von 1,0 < n ≤ 10,0, insbesondere 2,5 ≤ n ≤ 8,0, vorzugsweise 4,0 ≤ n ≤ 7,0 und besonders bevorzugt 5,0 ≤ n ≤ 6,0 bereit stellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil des Magnetgetriebes (22), insbesondere das Hohlrad (28), mindestens einen Elektromagneten, vorzugsweise eine stromdurchfließbare Spule, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetgetriebe (22) ein Getriebegehäuse (32) aufweist, das insbesondere die Planetenräder (26) trägt, wobei das Getriebegehäuse (32) gegenüber der Antriebseinheit (12, 40) abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (34) zur Kühlung des Magnetgetriebes (22) vorgesehen ist, wobei die Kühleinrichtung (34) insbesondere wassergekühlt oder ölgekühlt ist.
Luftkanalsystem für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit einem Ansaugkanal zum Ansaugen von Frischluft für eine Verbrennungskraftmaschine, einem Abgaskanal zum Ausstoßen von Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine und einer Turboladereinheit (10) nach einem Ansprüche 1 oder 3 bis 9, wobei das Verdichterrad (14) in dem Ansaugkanal und das Turbinenrad (18) in dem Abgaskanal angeordnet sind.
Verfahren zum Betrieb einer Turboladereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 9 und/oder eines Luftkanalsystems nach Anspruch 10, bei dem unterhalb einer Turbolochdrehzahl von der elektrischen Maschine (20) ein Drehmoment in die Antriebseinheit (12) eingeleitet wird, oberhalb einer Ladedruckregelungsdrehzahl von der elektrischen Maschine (20) ein Drehmoment von der Antriebseinheit (12), insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, abgeleitet wird und zwischen der Turbolochdrehzahl und der Ladedruckregelungsdrehzahl die elektrische Maschine (20) von der Antriebseinheit (12) abgekoppelt wird.