DE102010006018A1 - Charging device for compressing a medium and drive train for a motor vehicle with such a charging device - Google Patents

Charging device for compressing a medium and drive train for a motor vehicle with such a charging device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (28, 41) zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad (32, 40) umfassenden Rotor (31, 39), welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser (Di) sowie einen äußeren Durchmesser (Da) aufweisenden Lagerrings (66, 67) einer Lagerungseinrichtung (68) in axialer Richtung (70, 72) des Verdichterrades (30, 40) gelagert ist, wobei ein Quotientaus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren Durchmessers (Da) und des inneren Durchmessers (Di) gebildeten mittleren Durchmesser Dax des Lagerings (66) und einem Austrittsdurchmesser DV des Verdichterrads (30, 40) zumindest im Wesentlichen in einem Bereich vonliegt, sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer solchen Aufladeeinrichtung.The invention relates to a charging device (28, 41) for compressing a medium, in particular air, with a rotor (31, 39) comprising at least one compressor wheel (32, 40), which has an inner diameter (Di) and an outer one by means of at least one Diameter (Da) having bearing rings (66, 67) of a bearing device (68) is mounted in the axial direction (70, 72) of the compressor wheel (30, 40), a quotient of one of the arithmetic mean of the outer diameter (Da) and the inner diameter (Di) formed mean diameter Dax of the bearing ring (66) and an outlet diameter DV of the compressor wheel (30, 40) is at least substantially in a range, and a drive train for a motor vehicle with at least one such charging device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung.The invention relates to a charging device for compressing a medium, in particular of air, the type specified in the preamble of patent claim 1 and a drive train for a motor vehicle with such a charging device.

Aus dem Serienkraftwagenbau sind Aufladeeinrichtungen in Form von Abgasturboladern bekannt, die einen Rotor mit einer Welle umfassen, die in einem Lagergehäuse mittels einer Lagerungseinrichtung gelagert ist. Ein solcher Rotor weist im Betrieb des Abgasturboladers sehr hohe Drehzahlen auf, die insbesondere über eine lange Betriebsdauer sowie über eine hohe Lebensdauer des Abgasturboladers zu extrem hohen Belastungen des Rotors sowie des Lagergehäuses führen.Charging devices in the form of exhaust-gas turbochargers, which comprise a rotor with a shaft which is mounted in a bearing housing by means of a bearing device, are known from series-production vehicle construction. Such a rotor has very high rotational speeds during operation of the exhaust-gas turbocharger, which lead to extremely high loads on the rotor as well as of the bearing housing, in particular over a long service life and over a long service life of the exhaust-gas turbocharger.

Die DE 8717441 U1 offenbart einen Turbolader mit einem gasstatischen Radiallager, wobei ein einen Abschnitt der Lagerlänge einnehmendes Teil aus einem porösen Sinterkörper vorgesehen ist. Des Weiteren ist eine im Inneren der Welle zugeführte Zuleitung für das Lagergas sowie eine in einzelne, aneinander teilweise überlappende Segmente aufgeteilte Lagerschale vorgesehen, wobei die Segmente durch im Bereich der Überlappungen zwischen ihnen angeordnete Federelemente gespreizt werden.The DE 8717441 U1 discloses a turbocharger with a gas-static radial bearing, wherein a portion of the bearing length-engaging portion is provided from a porous sintered body. Furthermore, a supply line for the storage gas which is supplied in the interior of the shaft is provided, as well as a bearing shell divided into individual, partially overlapping segments, wherein the segments are spread by spring elements arranged between them in the region of the overlaps.

Diese sowie die aus dem Serienkraftwagenbau bekannten Aufladeeinrichtungen weisen weiteres Potential auf, eine Lagerung eines im Betrieb der Aufladeeinrichtung rotierenden Rotors weiter zu verbessern.These as well as the charging devices known from the production of standard cars have further potential to further improve a bearing of a rotor rotating during operation of the charging device.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Lebensdauer aufweisen.It is therefore an object of the present invention to provide a charging device for compressing a medium and a drive train for a motor vehicle with such a charging device, which have a long service life.

Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a charging device for compressing a medium, in particular air, with the features of patent claim 1 and by a drive train for a motor vehicle with such a charging device with the features of claim 9. Advantageous embodiments with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad umfassenden Rotor, welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser sowie einen äußeren Durchmesser aufweisenden Lagerrings einer Lagerunseinrichtung axialer Richtung des Verdichterrades gelagert ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Quotient

Figure 00020001
aus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren Durchmessers und des inneren Durchmessers gebildeten mittleren Durchmesser Dax des Lagerrings und einem Austrittsdurchmesser DV des Verdichterrads zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von
Figure 00020002
liegt.A charging device according to the invention for compressing a medium, in particular of air, with a rotor comprising at least one compressor wheel which is mounted by means of at least one bearing ring having a diameter and an outer diameter Lagerunseinrichtung axial direction of the compressor wheel, characterized in that a quotient
Figure 00020001
from an average diameter D ax of the bearing ring formed from the arithmetic mean of the outer diameter and the inner diameter and an exit diameter D V of the compressor wheel at least substantially in a range from
Figure 00020002
lies.

Dadurch ist der Lagerring der Lagerungseinrichtung, welche als Axiallagerungseinrichtung ausgebildet ist, bezogen auf den Austrittsdurchmesser des Verdichterrads DV bei einem relativ großen Durchmesser Dax platziert, um somit hohe Umfangsgeschwindigkeiten und Relativbewegungen von korrespondierenden Gleitflächen zur Lagerung zueinander schon bei relativ geringen Drehzahlen des Rotors für eine gewünschte, ausreichende Tragfähigkeit zu nutzen, um dadurch eine sichere und effiziente Lagerung des Rotors auch über eine sehr hohe Betriebsdauer der Aufladeeinrichtung und eine hohe Lebensdauer derselbigen hinweg zu gewährleisten. Des Weiteren sind bei dieser Platzierung des Lagerrings auf dem großen Durchmesser im Allgemeinen ausreichende Flächen bereitgestellt, um auch höchste Schubbeanspruchungen in axialer Richtung des Verdichterrades und damit des Rotors zu bewältigen und abzustützen.Thus, the bearing ring of the bearing device, which is designed as an axial bearing, relative to the outlet diameter of the compressor D V placed at a relatively large diameter D ax , thus high circumferential speeds and relative movements of corresponding sliding surfaces for storage each other even at relatively low speeds of the rotor for To use a desired sufficient carrying capacity, thereby ensuring a safe and efficient storage of the rotor over a very long service life of the charger and a long service life derselbigen away. Furthermore, in this placement of the bearing ring on the large diameter sufficient areas are generally provided to cope with and support even the highest shear stresses in the axial direction of the compressor wheel and thus the rotor.

Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ist dabei beispielsweise als Abgasturbolader in der bekannten Art und Weise einsetzbar. Ebenso ist sie bei einem Luftversorgungssystem in einem Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer Brennstoffzelle einsetzbar, wobei mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung eine der Brennstoffzelle zuzuführende Luft verdichtbar ist und der Rotor und damit das Verdichterrad beispielsweise mittels einer elektrischen Maschine, die sowohl als Elektromotor als auch gegebenenfalls als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben werden kann, antreibbar ist. Die Erzeugung von elektrischer Energie kann beispielsweise derart erfolgen, dass der Rotor auch ein Turbinenrad umfasst, welches von einem Abgas der Brennstoffzelle beziehungsweise von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine (bei der Ausbildung der Aufladeeinrichtung als Abgasturbolader) antreibbar ist. Dabei ist in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrades beispielsweise ein Verstellelement vorgesehen, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt einstellbar ist, wodurch die Aufladeeinrichtung über ein breites Spektrum an unterschiedliche Betriebspunkte der Brennstoffzelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung. Ein solches, variables Leitgitter-Element kann beispielsweise eine Gegendruckklappe zur Einstellung eines Abgasgegendrucks obsolet werden lassen.The charging device according to the invention is used, for example, as an exhaust gas turbocharger in the known manner. Likewise, it can be used in an air supply system in a drive train for a motor vehicle with a fuel cell, by means of the charging device according to the invention one of the fuel cell to be supplied air is compressible and the rotor and thus the compressor, for example by means of an electric machine, both as an electric motor and optionally as Generator for generating electrical energy can be operated, is driven. The generation of electrical energy can, for example, be such that the rotor also comprises a turbine wheel, which can be driven by an exhaust gas of the fuel cell or by an exhaust gas of an internal combustion engine (in the embodiment of the supercharger as exhaust gas turbocharger). In this case, an adjusting element is provided in the flow direction of the exhaust gas upstream of the turbine wheel, for example, by means of which a flow cross-section is adjustable, whereby the charging device over a wide range of different operating points of the fuel cell or the internal combustion engine is adaptable. This allows a particularly efficient operation of the charging device. Such a variable guide grid element can, for example, make a back pressure flap for setting an exhaust back pressure obsolete.

Durch das variable Leitgitter-Element und/oder die angeführte Gegendruckklappe ist ein engster Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads einstellbar, wodurch die Stopfgrenze eines Verdichters der Aufladeeinrichtung, welchem das Verdichterrad zugeordnet ist, beeinflussbar und somit die Aufladeeinrichtung an eine große Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennstoffzelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.By the variable guide grid element and / or the mentioned counter-pressure flap a narrowest flow cross-section upstream of the turbine is adjustable, whereby the Stopfgrenze a compressor of the charging device, which is associated with the compressor, influenced and thus the charging device to a wide variety of different operating points of the fuel cell or the internal combustion engine is customizable.

In jeglicher Hinsicht ermöglicht die Ausgestaltung und Anordnung des Lagerrings der Lagerungseinrichtung der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung eine sehr gute axiale Lagerung des Rotors bei unterschiedlichsten Betriebspunkten der Aufladeeinrichtung und das auch bei sehr hohen, axialen Belastungen.In any respect, the design and arrangement of the bearing ring of the storage device of the charging device according to the invention allows a very good axial bearing of the rotor at different operating points of the charging device and even at very high axial loads.

Diese sehr gute Lagerung auch bei hohen Beanspruchungen und über eine hohe Betriebsdauer sowie eine hohe Lebensdauer der Aufladeeinrichtung hinweg ermöglicht die Darstellung hoher Leistungen der Aufladeeinrichtung, was mit hohen Leistungsausbeuten und hohen Wirkungsgraden der Brennstoffzelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.This very good storage even at high loads and over a long service life and a long service life of the charging device allows the representation of high performance of the charging device, which is associated with high power yields and high efficiencies of the fuel cell or the internal combustion engine.

Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung kann auch als Range-Extender mit einer Gasturbine und mit direkt angekoppeltem Elektrogenerator für Elektrofahrzeuge fungieren, wobei die Lagerungseinrichtung auch bei diesem Anwendungsfall eine sehr gute Lagerung des Rotors gewährleistet.The charging device according to the invention can also act as a range extender with a gas turbine and directly coupled electric generator for electric vehicles, the storage device ensures a very good storage of the rotor in this application.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Lagerung des Rotors der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung auf zumindest nahezu jedwede Anwendung mit hochdrehenden Rotoren anwendbar ist, bei denen Strömungsverdichter eingesetzt werden und bei denen eine Axialschubkompensation eine hohe Herausforderung darstellt. Die Lagerungseinrichtung ermöglicht die Aufnahme und Abstützung hoher Axialkräfte, wobei diese Axialkräfte die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung und damit der Aufladeeinrichtung maßgeblich beeinflusst. Gewichtet man den Einfluss dieser Axialkräfte auf die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung, so ist dieser Einfluss der Axialkräfte mit zwei Dritteln vom Gesamten zu bewerten. Im Gegensatz dazu müssen Lagerungseinrichtungen, die zumindest im Wesentlichen Kräfte in radialer Richtung des Verdichterrads aufnehmen, Unwuchtkräfte des Rotors aufnehmen, die durch eine Feinwuchtung in einem geringen Rahmen gehalten werden können.In other words, this means that the bearing of the rotor of the charging device according to the invention is applicable to at least almost any application with high-speed rotors, in which flow compressors are used and in which an axial thrust compensation is a high challenge. The storage device allows the absorption and support of high axial forces, these axial forces significantly affect the life of the storage device and thus the charging device. If the influence of these axial forces on the life of the bearing device is weighted, this influence of the axial forces should be assessed as two thirds of the total. In contrast, storage devices which at least substantially absorb forces in the radial direction of the compressor wheel, absorb unbalance forces of the rotor, which can be maintained by a fine balancing in a small frame.

Der Einfluss von Gaskräften auf die für die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung maßgeblichen Axialkräfte ist dabei nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu reduzieren, was eine derartige Ausgestaltung der Lagerungseinrichtung zum Lagern des Rotors in axialer Richtung desselbigen vonnöten macht, dass auch bei hohen Gaskräften und damit auch bei hohen Axialkräften eine sichere Lagerung dauerhaft gewährleistet ist. Dies ist durch die Lagerungseinrichtung beziehungsweise die Ausgestaltung des Lagerrings der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung realisiert.The influence of gas forces on the relevant for the life of the bearing device axial forces is not or only with great effort to reduce, which makes such a design of the bearing means for supporting the rotor in the axial direction desselbigen required that even at high gas forces and thus At high axial forces secure storage is permanently guaranteed. This is realized by the storage device or the design of the bearing ring of the charging device according to the invention.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest eine Lagerring mittels einer Schmierstoffversorgungseinrichtung mit zumindest im Wesentlichen flüssigem Schmiermittel schmierbar. Bei diesem flüssigen Schmiermittel handelt es sich beispielsweise um Schmieröl. Ebenso möglich ist der Einsatz von Wasser, eines Kraftstoffes sowie eines flüssigen Mediums zur Abgasentstickung, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung. Auch möglich ist, dass der Lagerring mittels eines Schmierfettes schmierbar ist.In an advantageous embodiment of the invention, the at least one bearing ring can be lubricated by means of a lubricant supply device with at least substantially liquid lubricant. This liquid lubricant is, for example, lubricating oil. Also possible is the use of water, a fuel and a liquid medium for Abgasent nitung, for example, an aqueous urea solution. It is also possible that the bearing ring is lubricated by means of a grease.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Lagerring mittels der Schmierstoffversorgungseinrichtung mit einem zumindest im Wesentlichen gasförmigen Schmierstoff, insbesondere Luft, schmierbar, wobei eine derartige Schmierung mit Luft insbesondere bei Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung in so genannten Nullemissionsfahrzeugen vorteilbehaftet ist, bei welchen durch den Einsatz von Luft als Schmiermittel Umwelt belastende Emissionen durch ein Austreten von Schmiermittel vermieden sind.In a further embodiment, the at least one bearing ring is lubricated by means of the lubricant supply device with an at least substantially gaseous lubricant, in particular air, wherein such lubrication with air is particularly advantageous when using the charging device according to the invention in so-called zero-emission vehicles, in which by the use of Air as a lubricant Environmentally polluting emissions are avoided by leakage of lubricant.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lagerungseinrichtung zumindest teilweise als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet, wobei der zumindest eine Lagerring der Luftlagerungseinrichtung zugeordnet ist. Dies bedeutet also, dass durch den zumindest einen Lagerring in diesem Fall eine Luftlagerung des Rotors in axialer Richtung des Verdichterrads und damit des Rotors dargestellt ist, die ebenso bei den erwähnten Nullemissionsfahrzeugen aufgrund der Vermeidung von Umwelt belastenden Emissionen vorteilhaft ist. Kohlenwasserstoffe beinhaltende Schmiermittel, wie beispielsweise Schmieröl, sind dabei durch Luft substituiert.In a further embodiment, the bearing device is at least partially designed as an air bearing device, wherein the at least one bearing ring is assigned to the air bearing device. This means that in this case an air bearing of the rotor in the axial direction of the compressor wheel and thus of the rotor is represented by the at least one bearing ring, which is also advantageous in the mentioned zero-emission vehicles due to the avoidance of polluting emissions. Hydrocarbon-containing lubricants, such as lubricating oil, are thereby substituted by air.

Zur Erfindung gehört auch ein Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung, wobei mittels der Aufladeeinrichtung ein einem Aggregat zuzuführendes Medium, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle zuzuführende Luft, verdichtbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und umgekehrt anzusehen. Dabei kann der Antriebsstrang die angeführte Schmiermittelversorgungseinrichtung umfassen, mittels welcher der Lagerring mit einem gasförmigen oder flüssigen oder fettartigen Schmierstoff schmierbar ist.The invention also includes a drive train for a motor vehicle with at least one charging device according to the invention, wherein by means of the charging device a medium to be supplied to an assembly, in particular an internal combustion engine or a fuel cell to be supplied air, is compressible. Advantageous embodiments of the charging device according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the drive train according to the invention and vice versa. In this case, the drive train may include the stated lubricant supply device, by means of which the bearing ring with a gaseous or liquid or grease-like lubricant is lubricated.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of several preferred embodiments and from the drawings. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Die Zeichnungen zeigen in:The drawings show in:

1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung; 1 a schematic representation of a drive train of a motor vehicle with an embodiment of the charging device according to the invention;

2 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung; 2 a partial sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention;

3 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung; und 3 a partial sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention; and

4 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung. 4 a partial sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention.

Die 1 zeigt einen Antriebsstrang 8 mit einer Brennstoffzelle 10, mittels welcher in der Brennstoffzelle 10 zugeführter und verdichteter Luft enthaltener Sauerstoff und der Brennstoffzelle 10 zugeführter Wasserstoff unter Gewinnung von elektrischer Energie in Wasser umwandelbar ist. Die elektrische Energie wird über Leitungen 12 einer Batterie 14 zugeführt und in der Batterie 14 gespeichert. Über Leitungen 16 ist die gespeicherte elektrische Energie einem elektrischen Motor 18 zuführbar, der die elektrische Energie in ein Drehmoment einer Welle 20 umwandelt, wodurch ein Kraftwagen mit dem Antriebsstrang 8 antreibbar ist.The 1 shows a drive train 8th with a fuel cell 10 , by means of which in the fuel cell 10 supplied and compressed air contained oxygen and the fuel cell 10 supplied hydrogen is recoverable to obtain electrical energy in water. The electrical energy is transmitted via lines 12 a battery 14 fed and in the battery 14 saved. Via cables 16 is the stored electrical energy an electric motor 18 can be fed, which converts the electrical energy into a torque of a shaft 20 converts, creating a motor vehicle with the drive train 8th is drivable.

Der Brennstoffzelle 10 ist dabei der Wasserstoff aus einem Tank 22 über ein Ventil 24 zuführbar. Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Brennstoffzelle 10 und zur Darstellung hoher Leistungen wird die der Brennstoffzelle 10 zuzuführende und gemäß einem Richtungspfeil 26 angesaugte Luft zunächst von einer ersten Aufladeeinrichtung 28 verdichtet, welche einen Verdichter 30 umfasst, der einen Rotor 31 aufweist. Der Rotor 31 umfasst wiederum ein mit einer Welle 34 des Rotors 31 drehfest verbundenes Verdichterrad 32, welches über die Welle 34 von einem Elektromotor 36 der Aufladeeinrichtung 28 angetrieben werden kann.The fuel cell 10 is the hydrogen from a tank 22 via a valve 24 fed. To illustrate a particularly efficient operation of the fuel cell 10 and to show high performance is that of the fuel cell 10 to be supplied and according to a directional arrow 26 sucked air first from a first charging device 28 compacted, which is a compressor 30 includes a rotor 31 having. The rotor 31 again includes one with a wave 34 of the rotor 31 rotatably connected compressor wheel 32 which is about the wave 34 from an electric motor 36 the charging device 28 can be driven.

Der Verdichter 30 der Aufladeeinrichtung 28 stellt somit einen Niederdruckverdichter dar, der die Luft vorverdichtet, woraufhin sie einem Hochdruckverdichter in Form eines Verdichters 38 einer weiteren Aufladeeinrichtung 41 zugeführt wird. Auch der Verdichter 38 umfasst einen Rotor 39, der ein drehfest mit einer Welle 42 verbundenes Verdichterrad 40 sowie ein drehfest mit der Welle 42 verbundenes Turbinenrad 44 einer Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 umfasst. Die Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 ist als zweiflutige Turbine, beispielsweise als Segmentturbine ausgebildet, deren Turbinenrad 44 von einem Abgas der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Richtungspfeil 48 beaufschlagt und dadurch angetrieben wird, wodurch die Welle 42 und damit das Verdichterrad 40 zum Verdichten der Luft angetrieben werden. Die so weiter verdichtete Luft wird über eine Umblase-Mengen-Dosierung 50 und einen Kühler 52 der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Richtungspfeil 54 zugeführt.The compressor 30 the charging device 28 thus represents a low-pressure compressor, which pre-compresses the air, whereupon it is a high-pressure compressor in the form of a compressor 38 another charging device 41 is supplied. Also the compressor 38 includes a rotor 39 that rotates with a shaft 42 connected compressor wheel 40 and a rotation with the shaft 42 connected turbine wheel 44 a turbine 46 the charging device 41 includes. The turbine 46 the charging device 41 is designed as a double-flow turbine, for example as a segment turbine whose turbine wheel 44 from an exhaust gas of the fuel cell 10 according to a directional arrow 48 is acted upon and thereby driven, causing the shaft 42 and thus the compressor wheel 40 be driven to compress the air. The air thus compressed becomes over a bladder-quantity dosage 50 and a cooler 52 the fuel cell 10 according to a directional arrow 54 fed.

Damit auch die Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 hohe Leistungen darstellen kann, ist sie neben dem Abgas der Brennstoffzelle 10 mit einem Abgas einer Brennkammer 56 gemäß einem Richtungspfeil 58 beaufschlagbar. Dieser Brennkammer 56 ist wiederum Wasserstoff aus dem Tank 22 über ein Ventil 60 sowie zumindest ein Teil der angesaugten und verdichteten Luft zuführbar.Including the turbine 46 the charging device 41 high performance, it is next to the exhaust gas of the fuel cell 10 with an exhaust gas of a combustion chamber 56 according to a directional arrow 58 acted upon. This combustion chamber 56 is again hydrogen from the tank 22 via a valve 60 and at least a portion of the sucked and compressed air can be supplied.

In der Brennkammer 56 erfolgt dann eine Verbrennung des Wasserstoff-Luft-Gemisches, wobei das daraus resultierende Abgas eine relativ hohe Energie in Form von Wärmeenergie trägt, welche zum Antreiben der Turbine 46 genutzt werden kann.In the combustion chamber 56 Then, a combustion of the hydrogen-air mixture, wherein the resulting exhaust gas carries a relatively high energy in the form of heat energy, which is used to drive the turbine 46 can be used.

In Strömungsrichtung sowohl des Abgases der Brennstoffzelle 10 als auch des Abgases der Brennkammer 56 stromab des Turbinenrads 44 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 62 angeordnet, die die besagten Abgase reinigt, bevor sie an die Umwelt entlassen werden. Des Weiteren umfasst der Antriebsstrang 8 eine Regelungseinrichtung 64, mittels welcher die Umblase-Mengen-Dosierung 50 sowie die Ventile 24 und 60 geregelt werden.In the flow direction of both the exhaust gas of the fuel cell 10 as well as the exhaust gas of the combustion chamber 56 downstream of the turbine wheel 44 is an exhaust aftertreatment device 62 which cleans said exhaust gases before they are released to the environment. Furthermore, the powertrain includes 8th a control device 64 , by means of which the circulating-amount dosage 50 as well as the valves 24 and 60 be managed.

Die Rotoren 31 und 39 der Aufladeeinrichtungen 28 und 41 sind dabei in axialer Richtung des jeweiligen Verdichterrads 32 und 40 und damit der Rotoren 31 und 39 gemäß Richtungspfeilen 70 beziehungsweise 72 mittels eines Lagerrings 66 (2 bis 4) einer Lagerungseinrichtung 68 (2 bis 4) gelagert.The rotors 31 and 39 the charging devices 28 and 41 are in the axial direction of the respective compressor wheel 32 and 40 and thus the rotors 31 and 39 according to directional arrows 70 respectively 72 by means of a bearing ring 66 ( 2 to 4 ) a storage device 68 ( 2 to 4 ) stored.

Wie anhand einer Zusammenschau der 2 bis 4 deutlich wird, umfasst die Lagerungseinrichtung 68 ein Axiallager 76 mit dem Lagerring 66 und gemäß den 2 und 3 mit einem weiteren Lagerring 67, mittels welchen der Rotor 31, 39 in axialer Richtung des Verdichterrads 32, 40 gelagert ist.As with a synopsis of 2 to 4 becomes clear, includes the storage device 68 a thrust bearing 76 with the bearing ring 66 and according to the 2 and 3 with another bearing ring 67 , by means of which the rotor 31 . 39 in the axial direction of the compressor wheel 32 . 40 is stored.

Der Lagerring 66 weist dabei einen inneren Durchmesser Di (2) sowie einen äußeren Durchmesser Da (2) auf. Das Verdichterrad 32, 40 weist indes einen Austrittsdurchmesser DV (4) auf. Bildet man den arithmetischen Mittelwert aus dem inneren Durchmesser Di und dem äußeren Durchmesser Da, so ergibt sich ein mittlerer Durchmesser Dax (4) des Lagerings 66, wobei ein Quotient

Figure 00070001
aus dem mittleren Durchmesser Dax und dem Austrittsdurchmesser DV zumindest im Wesentlichen in einemThe bearing ring 66 has an inner diameter D i ( 2 ) and an outer diameter D a ( 2 ) on. The compressor wheel 32 . 40 has an exit diameter D V ( 4 ) on. Forming the arithmetic mean of the inner diameter D i and the outer diameter D a , the result is a mean diameter D ax ( 4 ) of storage 66 , where a quotient
Figure 00070001
from the mean diameter D ax and the exit diameter D V at least substantially in one

Bereich von

Figure 00070002
liegt. Diese Anordnung des Lagerrings 66 auf einem relativ großen Durchmesser wird bei einer gemäß der 1 gezeigten Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit Luft durch einen relativ großen Durchmesser des Elektromotors 36 begünstigt, wobei der Elektromotor 36 einen drehfest mit der Welle verbundenen Elektromotorrotor 78 sowie einen fest mit einem Lagergehäuse 80 der Aufladeeinrichtung 28, 41 verbunden Elektromotorstator 82 umfasst. An einer Stirnseite 84 des Elektromotorrotors 78 ist eine sich mit dem Motorrotor 78 drehende Gleitscheibe 87 des Axiallagers 76 angeordnet, die zur Abstützung von Axialkräften mit dem Lagerring 66 zusammenwirkt. Somit ist ein aerodynamisches Axiallager 76 geschaffen, welches Axialkräfte effizient abstützt zur Darstellung einer hohen Lebensdauer der Lagerungseinrichtung 68 und damit der Aufladeeinrichtung 28, 41.Section
Figure 00070002
lies. This arrangement of the bearing ring 66 on a relatively large diameter is in accordance with the 1 shown supply of the fuel cell 10 with air through a relatively large diameter of the electric motor 36 favors, the electric motor 36 a rotatably connected to the shaft electric motor rotor 78 and one fixed to a bearing housing 80 the charging device 28 . 41 connected electric motor stator 82 includes. At one end 84 the electric motor rotor 78 is one with the motor rotor 78 rotating sliding disk 87 of the thrust bearing 76 arranged to support the axial forces with the bearing ring 66 interacts. Thus, an aerodynamic thrust bearing 76 created, which supports axial forces efficiently to represent a long life of the storage device 68 and thus the charging device 28 . 41 ,

Die Lagerungseinrichtung 68 ist dabei als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet, wobei das Axiallager 76 mittels Luft schmierbar ist. Eine durch das drehende Verdichterrad 32, 40 bewirkte Gasdruckkraft auf einem Verdichterradrücken 86 führt zu einem Axialschub des Rotors 31, 39 gemäß einem Richtungspfeil 88 entgegen einer Einströmrichtung gemäß einem Richtungspfeil 90 der Luft des Axiallagers 76, welche mit der Luft als Schmiermittel über definierte Zuführungskanäle 90 versorgbar ist. Die Zuführungskanäle 90 durchlaufen dabei eine Wandung in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 70, 72 zwischen dem Verdichterrad 32, 40 und dem Elektromotorrotor 78.The storage facility 68 is designed as an air bearing device, wherein the thrust bearing 76 is lubricated by air. One through the rotating compressor wheel 32 . 40 effected gas pressure force on a Verdichterradrücken 86 leads to an axial thrust of the rotor 31 . 39 according to a directional arrow 88 against an inflow according to a directional arrow 90 the air of the thrust bearing 76 which reacts with the air as a lubricant via defined feed channels 90 is available. The feeder channels 90 go through a wall in the axial direction according to the directional arrow 70 . 72 between the compressor wheel 32 . 40 and the electric motor rotor 78 ,

Die Lagerungseinrichtung 68 umfasst des Weiteren ein Radiallager 92, welches zum Verdichterrad 32, 40 durch ein Labyrinth 94 abgedichtet und ebenso mit Luft als Schmiermittel versorgbar ist. Das Radiallager 92 kann auch durch ein Kugellager und/oder ein Gleitlager mit geringer Lagerbeanspruchung bereitgestellt sein.The storage facility 68 further includes a radial bearing 92 leading to the compressor wheel 32 . 40 through a maze 94 sealed and also supplied with air as a lubricant. The radial bearing 92 can also be provided by a ball bearing and / or a plain bearing with low bearing stress.

Die Stirnseite 84 des Elektromotorrotors 78 bildet zusammen mit einem Durchsatzverhalten beziehungsweise Aufstauverhalten des Lagerrings 66 auch eine Teilkompensation eines Axialschubes infolge der Axialkräfte, wodurch eine durch den Lagerring 66 dargestellte Luftlagerung eine Entlastung erfährt.The front side 84 the electric motor rotor 78 forms together with a throughput behavior or Aufstauverhalten the bearing ring 66 also a partial compensation of an axial thrust due to the axial forces, whereby a through the bearing ring 66 illustrated air bearing undergoes relief.

Der zweite Lagerring 67 zur axialen Lagerung des Rotors 31, 39, welcher ebenfalls mit durch das Verdichterrad 32, 40 verdichteter Luft geschmiert wird und an dem Verdichterradrücken 86 angeordnet und an diesem fixiert ist, sichert eine definierte Lage des Rotors 31, 39 ab, ohne dass in Richtung des Elektromotorrotors 78 beziehungsweise des Elektromotorstators 82 größere Lagerbelastungen aufgenommen werden müssen. Somit ist auch durch den Lagerring 67 ein aerodynamisches Luftlager zum Abstützen von Axialkräften geschaffen. Die Luft als Schmiermittel, die die Lagerverlustleistung in Form von Wärme aufnimmt, verlässt das Lagergehäuse 80 beispielsweise über einen Ringspalt zwischen dem Elektromotorrotor 78 und dem Elektromotorstator 82 in Richtung gemäß dem Richtungspfeil 90 und wird letztendlich in die Umgebung entlassen.The second bearing ring 67 for the axial bearing of the rotor 31 . 39 , which also with through the compressor wheel 32 . 40 compressed air is compressed and at the Verdichterradrücken 86 arranged and fixed to this ensures a defined position of the rotor 31 . 39 off without moving in the direction of the electric motor rotor 78 or the electric motor stator 82 larger bearing loads must be absorbed. Thus, also by the bearing ring 67 created an aerodynamic air bearing for supporting axial forces. The air as a lubricant, which absorbs the bearing loss in the form of heat, leaves the bearing housing 80 for example, via an annular gap between the electric motor rotor 78 and the electric motor stator 82 in the direction according to the directional arrow 90 and will eventually be released to the surrounding area.

Die Aufladeeinrichtung 28, 41 gemäß 2 umfasst weiterhin einen radialen Keilschaufeldiffusor 96 sowie einen axialen Konusdiffusor 98. Die von dem Verdichterrad 32, 40 zu verdichtende Luft strömt dabei gemäß einem Richtungspfeil 100 in ein Verdichtergehäuse 102 des Verdichters 30, 38, wird von dem Verdichterrad 32, 40 verdichtet und über eine Verdichterspirale 104 aus dem Verdichtergehäuse 102 ausgeleitet.The charging device 28 . 41 according to 2 further comprises a radial wedge blade diffuser 96 and an axial cone diffuser 98 , The from the compressor wheel 32 . 40 air to be compressed flows according to a directional arrow 100 in a compressor housing 102 of the compressor 30 . 38 , is from the compressor wheel 32 . 40 compacted and over a compressor spiral 104 from the compressor housing 102 discharged.

Die 3 zeigt eine von der 2 unterschiedliche Zuführung der dem Lagerring 66 als Schmiermittel zuzuführenden Luft, wobei eine Abzapfstelle der Luft in die Verdichterspirale 104 mündet, und wobei der Druck in der Verdichterspirale 104 aufgrund einer Durchströmung der Luft sowohl durch den axialen Konusdiffusor 98 als auch durch den radialen Keilschaufeldiffusor 96 zumindest nahezu einem maximalen Austrittsdruck des Verdichters 30, 38 entspricht. Zuführungskanäle 90 zur Luftversorgung werden durch das Verdichtergehäuse 102, durch den radialen Keilschaufeldiffusor 96 und die entsprechende Wandung des Lagergehäuses 80 geführt und in einen Bereich des Lagerrings 66, welcher auch eine Gleitscheibe darstellt, und der Gleitscheibe 87 geführt. Zur Darstellung einer gewünschten Tragfähigkeit des Axiallagers 76 und insbesondere des Zusammenwirkens des Lagerrings 66 mit der Gleitscheibe 87 ist es vorteilhaft, den Lagerring 66 sowie gegebenenfalls die Gleitscheibe 87 mittels Laserbohrungen oder gezielt porös, eventuell pulvermetallurgisch durch Sintern, entsprechend luftdurchlässig gestalten. Damit ist insbesondere ein Ringbereich in radialer Richtung des Lagerrings 66 gemäß dem Richtungspfeil 74 zwischen dem Innendurchmesser Di und dem Außendurchmesser Da von Luft durchströmbar.The 3 shows one of the 2 different supply of the bearing ring 66 as a lubricant to be supplied air, wherein a tapping point of the air in the compressor spiral 104 opens, and the pressure in the compressor spiral 104 due to a flow of air through both the axial Konusdiffusor 98 as well as through the radial wedge blade diffuser 96 at least almost a maximum discharge pressure of the compressor 30 . 38 equivalent. supply channels 90 to the air supply are through the compressor housing 102 , through the radial wedge blade diffuser 96 and the corresponding wall of the bearing housing 80 guided and in an area of the bearing ring 66 , which also represents a sliding disk, and the sliding disk 87 guided. To represent a desired load capacity of the thrust bearing 76 and in particular the interaction of the bearing ring 66 with the sliding washer 87 It is advantageous to the bearing ring 66 and optionally the sliding disk 87 by means of laser drilling or deliberately porous, possibly by powder metallurgy by sintering, make correspondingly permeable to air. This is in particular an annular region in the radial direction of the bearing ring 66 according to the directional arrow 74 Air can flow through between the inner diameter D i and the outer diameter D a .

Die 4 zeigt das Axiallager 76 für die Aufladeeinrichtung 28, 41, welche als so genannter Freiläufer ausgebildet ist, wie er beispielsweise als Aufladeeinrichtung 28 zum Einsatz kommt oder für einen Abgasturbolader geeignet sein könnte. Die als Gleitscheiben ausgebildeten Lagerringe 66 und 67, die auch gemäß in den 2 und 3 als Gleitscheiben ausgebildet sind, werden in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 70, 72 des Rotors 31, 39 beidseitig einer drehfest mit der Welle 34, 42 verbundenen Scheibe 106 angeordnet und wirken mit entsprechenden Gleitscheiben 87 zusammen, die an der Scheibe 106 angeordnet und mit dieser fixiert sind, wodurch wiederum aerodynamische Luftlager zur axialen Lagerung des Rotors 31, 39 dargestellt sind.The 4 shows the thrust bearing 76 for the charging device 28 . 41 , which is designed as a so-called freewheeler, such as, for example, as a charging device 28 is used or could be suitable for an exhaust gas turbocharger. The bearing rings designed as sliding disks 66 and 67 , which also according to the 2 and 3 are designed as sliding disks are in the axial direction according to the directional arrow 70 . 72 of the rotor 31 . 39 on both sides of a rotation with the shaft 34 . 42 connected disc 106 arranged and act with corresponding sliding discs 87 together, on the disc 106 are arranged and fixed with this, which in turn aerodynamic air bearings for axial mounting of the rotor 31 . 39 are shown.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 8717441 U1 [0003] DE 8717441 U1 [0003]

Claims (9)

Aufladeeinrichtung (28, 41) zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad (32, 40) umfassenden Rotor (31, 39), welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser (Di) sowie einen äußeren Durchmesser (Da) aufweisenden Lagerrings (66, 67) einer Lagerungseinrichtung (68) in axialer Richtung (70, 72) des Verdichterrades (30, 40) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quotient
Figure 00100001
aus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren Durchmessers (Da) und des inneren Durchmessers (Di) gebildeten mittleren Durchmesser Dax des Lagerings (66) und einem Austrittsdurchmesser DV des Verdichterrads (30, 40) zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von
Figure 00100002
liegt.
Charger ( 28 . 41 ) for compressing a medium, in particular air, with at least one compressor wheel ( 32 . 40 ) comprehensive rotor ( 31 . 39 ), which by means of at least one an inner diameter (D i ) and an outer diameter (D a ) having bearing ring ( 66 . 67 ) a storage device ( 68 ) in the axial direction ( 70 . 72 ) of the compressor wheel ( 30 . 40 ), characterized in that a quotient
Figure 00100001
from a mean diameter D ax of the bearing ring formed from the arithmetic mean of the outer diameter (D a ) and the inner diameter (D i ) ( 66 ) and an outlet diameter D V of the compressor wheel ( 30 . 40 ) at least substantially in a range of
Figure 00100002
lies.
Aufladeeinrichtung (28, 41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lagerring (66) mittels einer Schmierstoffversorgungseinrichtung mit zumindest im Wesentlichen flüssigem Schmiermittel schmierbar ist.Charger ( 28 . 41 ) according to claim 1, characterized in that the at least one bearing ring ( 66 ) is lubricated by means of a lubricant supply device with at least substantially liquid lubricant. Aufladeeinrichtung (28, 41) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerungseinrichtung (68) zumindest teilweise als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Lagerring (66, 67) der Luftlagerungseinrichtung zugeordnet ist.Charger ( 28 . 41 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the storage device ( 68 ) is at least partially formed as an air bearing device, wherein the at least one bearing ring ( 66 . 67 ) is associated with the air storage device. Aufladeeinrichtung (28, 41) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lagering (66, 67) Luft über zumindest einen Luftführungskanal (90) zuführbar ist.Charger ( 28 . 41 ) according to claim 3, characterized in that the storage ring ( 66 . 67 ) Air via at least one air duct ( 90 ) can be fed. Aufladeeinrichtung (28, 41) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Luftführungskanal (90) im Bereich eines Radrückens (86) des Verdichterrades (30, 40) angeordnet ist.Charger ( 28 . 41 ) according to claim 4, characterized in that the at least one air duct ( 90 ) in the region of a Radrücken ( 86 ) of the compressor wheel ( 30 . 40 ) is arranged. Aufladeeinrichtung (28, 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (66, 67) in einem Ringbereich in radialer Richtung (74) des Lagerrings (66, 67) zwischen dem inneren Durchmesser (Di) und dem äußeren Durchmesser (Da) zumindest bereichsweise luftdurchlässig ausgebildet ist.Charger ( 28 . 41 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing ring ( 66 . 67 ) in a ring region in the radial direction ( 74 ) of the bearing ring ( 66 . 67 ) is at least partially permeable to air between the inner diameter (D i ) and the outer diameter (D a ). Aufladeeinrichtung (28, 41) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Luftführungskanal (90) in einen Spiralkanal (104) der Aufladeeinrichtung (28, 41) mündet.Charger ( 28 . 41 ) according to one of claims 4 or 5, characterized in that the at least one air duct ( 90 ) into a spiral channel ( 104 ) of the charging device ( 28 . 41 ) opens. Aufladeeinrichtung (28, 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Lagerring (66, 67) vorgesehen ist, wobei mittels des ersten Lagerrings (66) Axialkräfte in eine erste, zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung (70, 72) verlaufende Richtung und mittels des zweiten Lagerrings (67) Axialkräfte in eine zweite, entgegengesetzt zur ersten Richtung verlaufende Richtung aufnehmbar sind.Charger ( 28 . 41 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second bearing ring ( 66 . 67 ) is provided, wherein by means of the first bearing ring ( 66 ) Axial forces in a first, at least substantially parallel to the axial direction ( 70 . 72 ) extending direction and by means of the second bearing ring ( 67 ) Axialkräfte in a second, opposite to the first direction extending direction are accommodated. Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer Aufladeeinrichtung (28, 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Drive train for a motor vehicle with at least one charging device ( 28 . 41 ) according to any one of the preceding claims.
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