DE102008052321A1

DE102008052321A1 - Turbolader

Info

Publication number: DE102008052321A1
Application number: DE200810052321
Authority: DE
Inventors: Georg Bachmaier; Ralf Böning; Gerit Ebelsberger; Dirk Frankenstein; Roland Herfurth; Achim Koch; Ralph-Maurice KÖMPEL; Christian Tump; Hans-Georg von Dr. Garssen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: DE102008052321B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Rotorwelle, wobei die Rotorwelle eine Magnetlageranordnung aufweist mit einer Axiallagereinrichtung mit nur einem Pol.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit einer Lageranordnung zur Lagerung einer Rotorwelle bzw. eines Rotors, der wenigstens einen Verdichter und eine Turbine aufweist.
Bei einer Verbrennungskraftmaschine wird zur Steigerung der Leistung bzw. zur Verkleinerung der Verbrennungskraftmaschine bei gleicher Leistung, in der Regel ein Abgasturbolader eingesetzt. Bei dem Turbolader wird über den Abgasmassenstrom eine Turbine angetrieben. Die Turbine treibt wiederum einen Verdichter an, welcher die Frischluft, die dem Motor zugeführt wird, komprimiert. Hierdurch kann mehr Luft in den Brennraum des Motors geführt werden, wobei der Verbrennung ebenfalls mehr Kraftstoff zugemessen werden kann. Dadurch kann wiederum das Drehmoment des Motors erhöht werden.
Bisher wird bei einem Turbolader die Rotorwelle, auf welcher das Turbinenrad und das Verdichterrad angeordnet sind, mittels einer mit Öl geschmierten Lageranordnung gelagert. Solche Öl geschmierten Lagerungen haben jedoch diverse Nachteile. So können Schmutzpartikel des Abgasmassenstroms in das Schmieröl gelangen und dessen Funktionsweise beeinträchtigen. Des Weiteren kann eine nicht ausreichende Schmierung direkt nach einem Starten des Motors auftreten, was insbesondere bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp-Automatik von Nachteil ist.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Turbolader mit einer verbesserten Lageranordnung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Turbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt mit:
einer Rotorwelle, wobei die Rotorwelle eine Magnetlageranordnung aufweist mit einer Axiallageranordnung mit nur einem Pol.
Ein solcher Turbolader hat den Vorteil, dass durch die axiale Magnetlagereinrichtung die Rotorwelle axial verschoben bzw. eingestellt werden kann, so dass die Rotorwelle eine vorbestimmte Soll-Position einnehmen kann bzw. in axialer Richtung geeignet gelagert werden kann. Außerdem benötigt die axiale Magnetlagereinrichtung bzw. die Axiallagereinrichtung der Magnetlageranordnung keine Ölschmierung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Rotorwelle derart positioniert, so dass die Schwerkraft der Rotorwelle bzw. des Rotors entgegen der Magnetkraft der Magnetlageranordnung wirkt. Dies hat den Vorteil, dass das Axiallager nur einen Pol benötigt bzw. eine Spuleneinrichtung mit einem Statorpaketelement. Mit anderen Worten, es kann auf einen zweiten Pol verzichtet werden, da die Kraft die der Magnetkraft des Axiallagers entgegen wirkt in diesem Fall durch die Schwerkraft erzeugt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Rotorwelle im Wesentlichen senkrecht montierbar. Dabei kann die Längsachse der Rotorwelle vorzugsweise in einem Winkel in einem Bereich zwischen 0°, +/–5°, +/–10°, +/–15°, +/–20°, +/–25°, +/–30°, +/–35°, +/–40° bis +/–45° zu einer Senkrechten angeordnet werden. Dabei sind alle ganzzahligen Werte von 0° bis +/–45° mit umfasst. Die Erfindung ist auf diesen Bereich jedoch nicht beschränkt. Grundsätzlich kann die Rotorwelle auch in einem Winkel größer als +/–45° angeordnet werden.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Axiallageranordnung eine Spuleneinrichtung mit einem Statorpaketelement auf. Die Axiallageranordnung weist hierbei beispielsweise eine Axiallagerscheibe auf, auf deren einen Seite die Spuleneinrichtung mit dem Statorpaketelement angeordnet ist. Die Spuleneinrichtung erzeugt hierbei eine Magnetkraft die der Gewichtskraft des Rotors entgegenwirkt. Es kann jedoch auch jede anderen Art von Axiallager vorgesehen werden. Die Erfindung ist nicht auf eine Axiallagerscheibe beschränkt.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform erzeugt die Axiallageranordnung eine Magnetkraft in eine Richtung, beispielsweise entgegen der Schwerkraft der Rotorwelle bzw. des Rotors. Dies hat den Vorteil, dass die Schwerkraft der Rotorwelle bzw. des Rotors als Gegenkraft eingesetzt werden kann und dadurch auf einen zweite Magnetpol bzw. eine zweite Spuleneinrichtung und ein zweites Statorpaketelement verzichtet werden kann. Dies führt zu einer Kostenersparnis und außerdem zu einer kompakteren Bauweise.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Rotorwelle derart positioniert bzw. angeordnet, so dass ein Verdichterrad eines Verdichters des Turboladers unten an der Rotorwelle angeordnet ist und ein Turbinenrad einer Turbine des Turboladers oben an der Rotorwelle. Grundsätzlich kann die Anordnung aber auch umgekehrt sein, d. h. das Verdichterrad ist oben angeordnet und das Turbinenrad unten.
In einer anderen erfindungemäßen Ausführungsform ist das Verdichterrad im Wesentlichen gleich groß oder größer als das Turbinenrad. Auf diese Weise kann das Verdichterrad eine größere Axialkraft erzeugen bzw. eine größere resultierende Kraft in Richtung des Verdichters. Ist das Turbinenrad unten angeordnet, so kann entsprechend das Turbinenrad beispielsweise gleich oder größer als das Verdichterrad ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Turbolader eine Fanglagereinrichtung auf. Die Fanglagereinrichtung hat dabei den Vorteil, dass sie die Rotorwelle abfängt, wenn beispielsweise die Magnetlageranordnung ausfällt bzw. deren Axiallagereinrichtung, die die Rotorwelle mittels Magnetkraft in axialer Richtung lagert.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Kraft bzw. Magnetkraft der Axiallagereinrichtung ausreichend groß einstellbar, um die Rotorwelle in einer Soll-Position zu halten, wobei die Rotorwelle in der Soll-Position beispielsweise mit der Fanglagereinrichtung außer Kontakt ist und die Rotorwelle in axialer Richtung geeignet gelagert ist. Hierbei kann beispielsweise eine Ist-Position der Rotorwelle über eine entsprechende Sensoreinrichtung erfasst und mit einer Soll-Position verglichen werden. Weicht dabei die Ist-Position von der Soll-Position ab, so wird die Magnetkraft der Axiallagereinrichtung entsprechend angepasst, damit die Rotorwelle die vorbestimmte Soll-Position einnimmt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Position der Rotorwelle bzw. des Rotors über eine Positionssensoreinrichtung bestimmt. Die Positionssensoreinrichtung weist dabei beispielsweise wenigstens ein oder zwei optische Positionssensoren auf. Es kann neben einer optischen Positionssensoreinrichtung aber auch jeder andere Art von Sensoreinrichtung mit einem oder mehreren Sensoren eingesetzt werden, die geeignet ist die Position des Rotors in axialer Richtung zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Position der Rotorwelle bzw. des Rotors ermittelt durch das Bestimmen der Induktivität der Spuleneinrichtung und damit der Größe des Luftspalts der Spuleneinrichtung. Dies hat den Vorteil, dass auf einen zusätzlichen Sensor verzichtet werden kann.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Turbolader derart angesteuert, dass er eine vorbestimmte Soll-Position einnimmt auch wenn beispielsweise ein Druck P3 vor der Turbine und im Wesentlichen kein oder nur ein geringer Druck P2 nach dem Verdichter vorliegt. In diesem Fall wird der Druck P2 nach dem Verdichter und/oder der Druck P3 vor der Turbine derart angepasst, dass der Rotor nicht in einen ungewollten Kontakt mit der Fanglagereinrichtung kommt. Zur Anpassung des Drucks P2 nach dem Verdichter bzw. des Drucks P3 vor der Turbine können wenigstens eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen, sofern vorhanden, betätigt werden. Darunter ein Schubumluftventil, ein Wastegate, eine variable Turbinengeometrie und ein Zapfluftventil. Dies hat den Vorteil, dass ein Lastsprung geeignet abgefangen werden kann, ohne dass ein Abfangen des Rotors durch die Fanglagereinrichtung erfolgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Turboladers mit einer herkömmlichen Lageranordnung;
2 eine schematische Darstellung der Rotorwelle eines Turboladers mit dem darauf angeordneten Verdichterrad und Turbinenrad und den dort angreifenden Kräften;
3 eine schematische Teilschnittansicht des Turbinengehäuses und des darin angeordneten Turbinenrads;
4 eine schematische Teilschnittansicht des Verdichtergehäuses und des darin angeordneten Verdichterrads;
5 ein Diagramm in welchem die Kraft am Verdichter in Abhängigkeit von dem Druck P2 nach dem Verdichter dargestellt ist;
6 ein Diagramm in welchem die Kraft an der Turbine in Abhängigkeit von dem Druck P3 vor der Turbine dargestellt ist;
7 eine schematischer Aufbau eines Axiallagers in einer Magnetlageranordnung; und
8 eine schematische Ansicht einer Rotorwelle und ihrer Axiallageranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In 1 ist eine Schnittansicht durch ein Gehäuse eines Turboladers 10 gezeigt, sowie ein Ausschnitt der Rotorwelle 12 des Turboladers 10. Auf der Rotorwelle 12 ist ein Turbinenrad 14 einer Turbine 16 und ein Verdichterrad 18 eines Verdichters 20 angeordnet. Die Rotorwelle 12 ist dabei über eine Öl geschmierte Lagerung gelagert. Die Öl geschmierte Lagerung besteht dabei aus zwei Radiallagern 22 und einem Axiallager 24. Im Betrieb des Turboladers 10 wird der Turbine 16 ein Abgasmassenstrom eines Motors zugeleitet. Dieser treibt das Turbinenrad 14 an. Das Turbinenrad 14 treibt wiederum das Verdichterrad 18 an, welches eine zugeführte Frischluft verdichtet und dem Motor zuführt. Die Strömungsrichtungen der Frischluft und des Abgasmassenstroms sind dabei mit Pfeilen in 1 dargestellt.
Des Weiteren sind Bereiche des Turboladers 10 gekennzeichnet, in denen bestimmte Drücke vorherrschen. Dazu gehört der Druck vor dem Verdichter 20, d. h. der Druck P1. Dieser ist meist geringer als der Umgebungsdruck. Des Weiteren der Druck nach dem Verdichter 20, d. h. der Druck P2, bzw. der sog. Ladedruck. Weiter der Druck vor der Turbine 16, d. h. der Druck P3. Dieser Druck P3 ist dabei meist höher als der Druck P2 nach dem Verdichter 20. Darüber hinaus ist der Druck nach der Turbine 16 angegeben, d. h. der Druck P4, der meist etwas höher ist als der Umgebungsdruck.
Die Rotorwelle 12 an der das Turbinerad 14 sowie das Verdichterrad 18 befestigt sind, wird durch eine Lagerung im Lagergehäuse 26 gehalten. Diese besteht, wie zuvor beschrieben, in der Regel aus den beiden Radiallagern 22 und dem einem Axial lager 24. Dadurch ist die Position der Welle 12 statisch bestimmt. Normalerweise sind diese Lager als Gleitlager ausgeführt, die auf einem Ölfilm laufen. Die Versorgung mit Öl sowie die Abdichtung des Lagergehäuses 26 gegenüber der Verdichterseite sowie der Turbinenseite sind in 1 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. Insbesondere dem Axiallager 24 kommt eine zentrale Rolle zu. Das Axiallager 24 muss die resultierende Kraft der Axialkräfte von Verdichter 20 und Turbine 16 aufnehmen.
2 zeigt nun einen Freischnitt des Rotors 12 mit den in axialer Richtung wirkenden Kräften. Dabei greift an dem Verdichter 20 bzw. dessen Verdichterrad 18 in axialer Richtung die Kraft F_Verdichter und an der Turbine 16 bzw. deren Turbinenrad 14 die Kraft F_Turbine an. Die Resultierende F_Axiallager aus diesen beiden axialen Kräften muss von dem Axiallager 24 aufgenommen werden. Es gilt: F_Axiallager = F_Verdichter + F_TUrbine
Die Entstehung der axialen Kraft F_Turbine, welche an der Turbine 16 angreift, wird in 3 näher erläutert.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist der Druck P3 vor der Turbine 16 in der Regel höher als der Druck P2 nach dem Verdichter 20. Da die Turbine 16 zu der Rotorwelle 12 hin abgedichtet ist, herrscht auf der Rückseite der Turbine 16 ein Druck der ähnlich hoch ist wie der Druck P3 vor der Turbine 16. Durch die Kreiselwirkung zwischen der Turbinenradrückwand 28 und dem Turbinengehäuse 30 fällt der Druck zu der Rotorwelle 12 hin jedoch etwas ab. Dieser Druck auf der Rückseite des Turbinenrads 14 wird im Folgenden als der Druck P3' bezeichnet.
Auf die Turbine 16 wirken in axialer Richtung vor allem die Kraft F_P3', durch den Druck P3', und die Kraft F_Impuls-T, infolge des Impuls an der Turbine 16 durch die Änderung der Strömung der Luft von einer radialen Richtung in eine axiale Richtung. Die Kraft F_P3' hängt in erster Näherung von dem Druck P3 vor der Turbine 16 ab. Die Kraft F_Impuls-T hängt von dem Massenstrom über die Turbine 16 ab. Der Massenstrom über die Turbine 16 hängt wiederum jedoch in erster Näherung ebenfalls von dem Druck P3 vor der Turbine ab. Die Drehzahl spielt eine geringe bzw. geringere Rolle. Es lässt sich also ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck P3 vor der Turbine 16 und der Kraft F_Turbine auf die Turbine 16 bestimmen.
Die Entstehung der axialen Kraft F_Verdichter, welche an dem Verdichter 20 angreift, wird in 4 näher erläutert.
Bei dem Verdichter 20 sind die Mechanismen ähnlich wie bei der Turbine 16. Der Druck am Fuße des Verdichterrads 18, der als der Druck P2' im folgenden bezeichnet wird, ist ähnlich dem Druck P2 nach dem Verdichter 20. Der Druck P2' wiederum bestimmt die Kraft F_P2' auf den Rücken des Verdichterrads 18. Die Kraft E_Impuls-V, d. h. die Kraft infolge des Impulses durch die Umlenkung des Luftstroms von einer axialen Richtung in eine radiale Richtung, hängt von dem Luftmassenstrom m_V über den Verdichter 20 ab. Dieser Luftmassenstrom m_V ist abhängig von dem Druck 22 vor dem Verdichter 20 aber auch von der Drehzahl des Verdichters 20. Es lässt sich also nicht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Druck P2 vor dem Verdichter und der axialen Kraft F_Verdichter am Verdichter 20 bestimmen. Für diese Bestimmung kommt noch die geförderte Luftmasse als weitere Eingangsgröße hinzu.
Die 5 und 6 zeigen die tendenziellen Zusammenhänge zwischen dem Druck P3 vor der Turbine 16 und der axialen Kraft F_Turbine an der Turbine 16, sowie zwischen dem Druck 22 nach dem Verdichter 20, dem Luftmassenstrom m_V und der axialen Kraft F_Verdichter am Verdichter 20.
Wie in dem Diagramm in 5 gezeigt ist, steigt die Kraft F_Verdichter (F_V) an dem Verdichter 20 mit einer Zunahme des Drucks P2 nach dem Verdichter 20 an. Des Weiteren ist die Kraft F_Verdichter an dem Verdichter 20 bei einem geringen Luftmassenstrom M_dotgering größer und steigt außerdem mit zunehmendem Druck P2 nach dem Verdichter 20 stärker an, als bei einem hohen Luftmassenstrom M_dothoch.
Des Weiteren kann aus 6 entnommen werden, dass die Kraft F_Turbine (F_T) an der Turbine 16 mit einer Zunahme des Drucks P3 vor der Turbine 16 deutlich ansteigt.
Es lässt sich weiter folgende Feststellung machen. Die axiale Kraft auf die Rotorwelle 12 hängt von folgenden Größen ab. Einerseits von dem Druck P2 nach dem Verdichter 20 und andererseits von dem Druck P3 vor der Turbine 16 und dem Luftmassenstrom m_V über den Verdichter 20.
Je nach Betriebspunkt und nach Größenverhältnis von dem Verdichterrad 18 zu dem Turbinenrad 14 kann die resultierende Kraft F_Axiallager in die eine oder in die andere Richtung wirken.
In 6 ist ein vereinfachter, schematischer Aufbau einer Axiallagereinrichtung 32 in einer Magnetlageranordnung 34 dargestellt.
Die Wirkungsweise einer Axiallagereinrichtung 32 in einer Magnetlagerung 34 ist dabei wie folgt.
Im Rahmen der Turboladerentwicklung werden unter anderem auch alternative Lösungen zur Lagerung der Rotorwelle gesucht, neben den bisher bekannten Öl geschmierten Lagerungen. Stand der Technik ist bisher eine Gleitlagerung auf einem Ölfilm. Eine alternative Lösung hierzu stellt nun die Magnetlagerung dar. Diese hat den Vorteil, dass die Lagerung als solches ölfrei ist, was für die Emissionen von Bedeutung ist. Des Weiteren weist die Magnetlagerung eine geringere Verlustleistung auf und es treten außerdem keine Probleme, wie bei der Schmierung mit Öl, kurz nach dem Motorstart auf, was besonders vorteilhaft ist, bei Fahrzeugen mit einer Start-Stopp Automatik.
Bei der Magnetlagerung werden hierbei die Kräfte die den Rotor bzw. die Rotorwelle in der Position halten, durch Magnetfelder um Strom durchflossene Spuleneinrichtungen erzeugt. Der Fluss der Magnetfelder wird dabei durch Einsenpaketelemente bzw. Statorelemente geleitet und geht unterbrochen durch den Luftspalt auch durch Teile der Rotorwelle.
In dem schematischen Aufbau der Axiallagereinrichtung 32 in der Magnetlageranordnung 34, wie sie in 6 gezeigt ist, sind die Magnetfeldlinien, die durch die Luft gehen, bestrebt einen Luftspalt 36 zu verkleinern. Dadurch wird die Scheibe der Axiallagereinrichtung 32 und damit die Rotorwelle 12 in die Richtung der bestromten Spuleneinrichtung 38 gezogen. Es lassen sich hierbei immer nur Kräfte in einer Richtung erzeugen. Soll eine Kraft in die andere Richtung erzeugt werden, so muss dies von der Spuleneinrichtung 38 auf der anderen Seite der Axiallagereinrichtung 32 erfolgen. Die Kraft, die in axialer Richtung ausgeübt wird, ist von der Größe des Luftspalts 36 abhängig. Nähert sich die Axiallagerscheibe dem bestromten Statorpaket bzw. dem bestromten Statorpaketelement 40 an, so erhöht sich bei gleichem Stromfluss in der Spuleneinrichtung 38 die Kraft.
Es handelt sich bei diesem System also um ein instabiles Gleichgewicht, das einer geeigneten Regelung bedarf. Hierzu muss die Position der Rotorwelle 12 in axialer Richtung bekannt sein. Diese Position der Rotorwelle 12 kann beispielsweise folgendermaßen ermittelt werden:

– durch eine Positionssensorseinrichtung, beispielsweise wenigstens einen oder mehrere optische Positionssensoren, und/oder
– durch die Messung des Stromes in der Spuleneinrichtung 38 kann auf deren Induktivität und damit auf die Größe des Luftspalts 36 geschlossen werden. Die Ansteuerung der Spuleneinrichtung 38 erfolgt z. B. über ein Puls-Weiten-Moduliertes(PWM)-Signal. Hierbei wird in schneller Folge die Spannung an der jeweiligen Spuleneinrichtung 38 ein- und ausgeschaltet. Durch das Verhalten des Stromflusses kann auf die Induktivität der Spuleneinrichtung 38 geschlossen werden und damit auf die Größe des Luftspalts 36 zwischen dem Statorpaketelement 40 und der Axiallagerscheibe des Axiallagers 32.

Der Regelung wird dabei beispielsweise eine Soll-Position der Rotorwelle 12 vorgegeben. Aus der Abweichung zwischen der Soll-Position und der Ist-Position wird eine entsprechende Bestromung der jeweiligen Spuleneinrichtung 38 der Axiallagereinrichtung 32 bestimmt, so dass die entsprechenden Kräfte generiert werden können, die den Rotor bzw. die Rotorwelle 12 in der Soll-Position halten.
Bei der Magnetlagerung 34 bestimmt die erforderliche auszuübende Kraft die Größe des Lagers, also die Dimensionierung der Spuleneinrichtung 38, des Statorpaktelements 40 und der Axiallagerscheibe. Es ist dabei von Vorteil diese möglichste klein auszulegen um Bauraum, Kosten und Gewicht einzusparen. Die bisher geplante Vorgehensweise ist es, die Axiallagereinrichtung 32 der Magnetlageranordnung 34 ausreichend groß zu dimensionieren, um in jedem Fall die auftretenden Kräfte auffangen zu können.
Die Erfindung sieht nun vor, die Kombination von dem Verdichterrad 18 und dem Turbinerad 14 so auszulegen, dass die Resultierende F_Axiallager der axialen Kräfte in jedem Fall in eine bestimmte Richtung wirkt. Dadurch ist es möglich, für die Axiallagereinrichtung 32 lediglich ein Wicklungspaket bzw. einen Stator-Pol bzw. ein Statorpaketelement 40 vorzusehen. Um ein Loslaufen der Rotorwelle 12 zu gewährleisten muss diese beispielsweise im Wesentlichen senkrecht verbaut werden, so dass die axiale Magnetlageranordnung 34 den Rotor bzw. die Rotorwelle 12 gegen die Schwerkraft zum Schweben bringen kann.
Da das Statorpaketelement 40 einer Magnetlagerung 34 lediglich Anziehungskräfte entwickeln kann, also Kräfte die in eine Richtung wirken, ist es normalerweise nötig für eine Fixierung der Rotorwelle 12 in eine Richtung zwei gegenüberliegende Statoren bzw. Statorpaketelemente vorzusehen. Gemäß der Erfindung ist es aber bereits ausreichend, beispielsweise nur einen Stator bzw. ein Statorpaketelement 40 vorzusehen. Als Gegenkräfte auf die Rotorwelle 12 können beispielsweise die Schwerkraft sowie die Resultierenden der Gaskräfte am Verdichter 20 und dem Turbinenrad 14 bzw. der Turbine 16 genutzt werden.
8 zeigt einen Abgasturbolader-Rotor 42 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Axiallagereinrichtung 32 mit nur einem Statorpaketelement 40. Der Rotor 42 ist dabei beispielsweise hochkant verbaut bzw. fast senkrecht, so dass die Schwerkraft entgegen der Magnetkraft wirkt. Wenn der Motor gestartet werden soll und der Abgasturbolader-Rotor 42 sich noch im Stillstand befindet, so kann dieser nur durch den einen Pol der Axiallagereinrichtung 32 zum Schweben gebracht werden. In dem vorliegenden Fall, wie er in 8 gezeigt ist, befindet sich nun das Verdichterrad 18 auf der Rotorwelle 12 unten und das Turbinenrad 14 oben. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Verdichterrad 18 beispielsweise relativ groß gewählt ist, beispielsweise wenigstens gleich groß oder größer als das Turbinenrad 14, dadurch wirkt die resultierende Kraft in Richtung des Verdichters 20.
Mit der axialen Magnetlagereinrichtung 34 wird nun immer soviel bzw. sowenig Kraft aufgewendet, so dass der Rotor 42 in einem Schwebezustand gehalten werden kann, ohne dass dieser beispielsweise eine Fanglagereinrichtung berührt. Die Fanglagereinrichtung ist in 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Da eine Magnetlagerung in der Regel nicht über Notlaufeigenschaften verfügt, kann es zu einem ungewollten Kontakt zwischen der Welle bzw. dem Läuferelement und dem Statorpaketelement kommen, wenn die Magnetlageranordnung ausfällt. Aus diesem Grund kann wahlweise zusätzlich eine sog. Fanglageranordnung vorgesehen werden, die bei einem Ausfall der Magnetlageranordnung eingreift. Bei solchen Fanglagersystemen werden beispielsweise Wälzlager eingesetzt. Dabei können beispielsweise ein, zwei oder mehr Wälzlager so vorgesehen werden, dass wenn die Magnetlageranordnung ausfällt, die Drehung der Welle über die Wälzlager abgefangen wird. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Die Erfindung ist hierbei nicht auf den Einsatz von einem oder mehreren Wälzlagern beschränkt. Bei dem erfindungsgemäßen Turbolader 10 kann jede andere Art von Fanglagersystem oder Fanglagersystemkombination eingesetzt werden.
Um nun mit der axialen Magnetlagereinrichtung 34 im Wesentlichen immer soviel bzw. sowenig Kraft aufzuwenden, dass der Rotor 42 in einem Schwebezustand gehalten werden kann, ohne dass dieser beispielsweise eine Fanglagereinrichtung berührt, ist beispielsweise folgendes erforderlich.
Die resultierende Gaskraft, d. h. die Resultierende aus der Kraft des Abgasmassenstroms und der Kraft des Frischluftmassenstroms, zusammen mit der Gewichtskraft des Rotors 42 sollte immer bzw. in jedem Falle nach unten ziehen. Eine besondere Herausforderung stellt sich an dieses System im Falle eines Lastsprungs. Wenn sich beispielsweise durch einen transienten Vorgang im Betrieb das Abgasturboladers 10 an der Turbine 16 ein erhöhter Druck P3 vor der Turbine 16 einstellt, obwohl noch kein Ladedruck P2 anliegt oder durch das Öffnen des Schubumluftventils schon kein Ladedruck P2 mehr anliegt, so kann es vorkommen dass die Resultierende der Gaskräfte in die andere Richtung d. h. in dem Beispiel nach oben wirkt. Dies kann zu einem Anstreifen des Rotors 42 an einer Fanglagereinrichtung führen.
Aus diesem Grunde ist für diesen Fall z. B. eine spezielle Reihenfolge der Ansteuerung einer oder mehrerer Einrichtungen beispielsweise zur Regelung der Gasmassenströme des Turboladers 10 bereitgestellt. Als Einrichtung zur Regelung eines Gasstroms des Turboladers 10, d. h. des Fluidmassenstroms des Verdichters 20 bzw. des Abgasmassenstroms der Turbine 16, kann der Turbolader 10 beispielsweise ein oder mehrere Wastegates (nicht dargestellt) aufweisen, eine variable Turbinengeometrie VTG mit beweglichen Leitschaufeln (nicht dargestellt) und/oder eine Schubumluftventileinrichtung (nicht dargestellt) usw..
Eine oder mehrere dieser Einrichtungen zur Regelung eines jeweiligen Gasstroms können dabei entsprechend angesteuert werden, um die Resultierende der Gaskräfte, d. h. die Kraft die durch den Abgasmassenstrom und die Kraft die durch den Luftmassenstrom erzeugt wird, so einzustellen, dass die Resultierende in 8 nach unten zu dem Verdichter 20 hin wirkt, um einen Kontakt des Rotors 42 mit der Fanglagereinrichtung zu verhindern. Dabei sollte in einem transienten Betrieb beispielsweise der Druck P2 nach Verdichter immer möglichst gross sein gegenüber P3, dem Druck vor der Turbine. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, wenn bei einem schnellen Einbruch des Ladedruck-Sollwerts zuerst das WG (bzw. die EVT-Schaufel) geöffnet werden und dann erst das Schubumluftventil.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Turbolader (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit: einer Rotorwelle (12), wobei die Rotorwelle (12) eine Magnetlageranordnung (34) aufweist mit einer Axiallagereinrichtung (32) mit nur einem Pol.
Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (12) derart positioniert ist, so dass die Schwerkraft der Rotorwelle (12) bzw. des Rotors (42) entgegen der Magnetkraft der Magnetlageranordnung (34) wirkt.
Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (12) im Wesentlichen senkrecht montierbar ist, wobei die Längsachse der Rotorwelle (12) hierbei beispielsweise einen Winkel in einem Bereich zwischen 0° bis +/–45° zu einer Senkrechten bildet.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagereinrichtung (32) einen Pol aufweist, wobei der Pol beispielsweise eine Spuleneinrichtung (38) mit einem Statorpaketelement (40) aufweist und wobei die Axiallagereinrichtung (32) beispielsweise eine Axiallagerscheibe aufweist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallagereinrichtung (32) eine Magnetkraft in nur eine Richtung erzeugt, beispielsweise im Wesentlichen entgegen der Schwerkraft der Rotorwelle (12) bzw. des Rotors (42).
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (12) derart positioniert bzw. angeordnet ist, so dass ein Verdichterrad (18) eines Verdichters (20) des Turboladers (10) unten an der Rotorwelle (12) angeordnet ist und ein Turbinenrad (14) einer Turbine (14) des Turboladers oben an der Rotorwelle (12).
Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (18) im Wesentlichen gleich groß oder größer als das Turbinenrad (16) ist oder dass das Turbinenrad (16) im Wesentlichen gleich groß oder größer als das Verdichterrad (18) ist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (10) eine Fanglagereinrichtung aufweist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft bzw. Magnetkraft der Axiallagereinrichtung (32) der Magnetlageranordnung (34) ausreichend groß einstellbar ist, um die Rotorwelle (12) in einer Soll-Position zu halten, wobei die Rotorwelle (12) in der Soll-Position beispielsweise mit der Fanglagereinrichtung außer Kontakt ist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Rotorwelle (12) bzw. des Rotors (42) über eine Positionssensoreinrichtung bestimmbar ist, wobei die Positionssensoreinrichtung beispielsweise wenigstens ein oder zwei optische Positionssensoren aufweist.
Turbolader nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Rotorwelle (12) bzw. des Rotors (42) durch Bestimmen der Induktivität der Spuleneinrichtung (38) und damit der Größe des Luftspalts (36) der Spuleneinrichtung (38) bestimmbar ist.
Verfahren zum Ansteuern eines Turboladers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bestimmen der Ist-Position der Rotorwelle (12) und Vergleichen der Ist-Position mit einer Soll-Position, b) Weicht die Ist-Position von der Soll-Position ab, ansteuern der Spuleneinrichtung (38) der Magnetlageranordnung (34), so dass die Rotorwelle (12) die vorbestimmte Soll-Position einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Resultierende der Gaskräfte derart eingestellt wird, so dass die Resultierende weg von bzw. entgegen der Axial-Magnetlagerung wirkt.