DE102010064061A1 - Turbo compressor for fuel cell drive of internal combustion engine of hybrid drive for motor vehicle, has drive unit and two compressor wheels driven by drive unit - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turboverdichter, der zwei Verdichterräder aufweist, die achssymmetrisch angeordnet sind und zwischen denen eine Gasleitung zur Ermöglichung eines Gasstroms angeordnet ist.The present invention relates to a turbocompressor having two compressor wheels, which are arranged axisymmetric and between which a gas line is arranged to allow a gas flow.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verdichtung von Gas, insbesondere von Luft, mittels dem erfindungsgemäßen Turboverdichter. Ergänzend betrifft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellen-Antrieb sowie eine Verbrennungskraftmaschine und ein Kraftfahrzeug.Moreover, the present invention relates to a method for compressing gas, in particular of air, by means of the turbocompressor according to the invention. In addition, the present invention relates to a fuel cell drive and an internal combustion engine and a motor vehicle.
Gasverdichter dienen zur Komprimierung von Gas, welches unter Beimischung von Kraftstoff einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine erhöhen. Da insbesondere bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen die Forderung nach geringen Verbrauchsraten des Motors besteht, ist in diesen Kraftfahrzeugen ein Verdichter mitzuführen.Gas compressors are used to compress gas, which is supplied with the admixture of fuel to an internal combustion engine. As a result, the efficiency of the internal combustion engine can be increased. Since there is a demand for low consumption rates of the engine, especially in internal combustion engines in motor vehicles, a compressor is to be carried in these motor vehicles.
Eine weitere Anforderung, die zunehmend an Kraftfahrzeuge gestellt wird, ist die Gewichtsminimierung sowie Energieeffizienz. Da die meisten Verdichter durch einen elektromotorischen Antrieb betrieben werden, besteht somit eine wesentliche Anforderung an den Verdichter darin, dass er mit einer geringen elektrischen Leistungsaufnahme betreibbar ist, insbesondere wenn er zum Betrieb eines Verbrennungsaggregates eingesetzt wird, welches in einem Hybridfahrzeug den elektromotorischen Antrieb ergänzt beziehungsweise unterstützt. In derartigen Fahrzeugen ist ein Verdichter demzufolge mit geringem Gewicht, vorzugsweise auch geringem Volumen und mit geringer elektrischer Leistungsaufnahme auszugestalten.Another requirement that is increasingly being placed on motor vehicles is weight minimization and energy efficiency. Since most compressors are operated by an electric motor drive, there is thus an essential requirement on the compressor that it can be operated with a low electrical power consumption, in particular if it is used to operate a combustion unit, which complements the electric motor drive in a hybrid vehicle supported. In such vehicles, a compressor is therefore to be designed with low weight, preferably also low volume and with low electrical power consumption.
Herkömmliche Verdichter können meist nur eine oder wenige der oben genannten Forderungen erfüllen.Conventional compressors can usually only meet one or a few of the above requirements.
In der
Des Weiteren sind Verdichter bekannt, die wärmetechnische Prozesse ausnutzen.Furthermore, compressors are known which exploit thermal engineering processes.
In der
Die
Die
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter sowie ein Verfahren zur Verdichtung von Gas zur Verfügung zu stellen, welche in einfacher, gewichtssparender, zuverlässiger und kostengünstiger Ausgestaltung eine energieeffiziente Verdichtung von Gas ermöglichen.The invention has for its object to provide a compressor and a method for compressing gas available, which allow energy-efficient compression of gas in a simple, weight-saving, reliable and cost-effective design.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Turboverdichter nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Verdichtung von Gas nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Turboverdichters sind in den Unteransprüchen 2–11 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Verdichtung von Gas ist im Unteranspruch 13 angegeben. Ergänzend wird ein Brennstoffzellen-Antrieb nach Anspruch 14, eine Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 15 sowie ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 16 vorgeschlagen, welches einen Brennstoffzellen-Antrieb oder eine Verbrennungskraftmaschine aufweist.This object is achieved by the turbocompressor according to
Erfindungsgemäß wird ein Turboverdichter zur Verfügung gestellt, der wenigstens eine Antriebseinheit und mindestens ein erstes und ein zweites von der Antriebseinheit antreibbares, in jeweils einem ersten und einem zweiten Verdichtergehäuse rotierbar angeordnetes Verdichterrad umfasst, wobei das erste und das zweite Verdichterrad im Wesentlichen achssymmetrisch zueinander ausgerichtet auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und das erste Verdichtergehäuse mit wenigstens einer Gasleitung strömungstechnisch mit dem zweiten Verdichtergehäuse zur Leitung von vom ersten Verdichterrad komprimierten Gas an das zweite Verdichterrad zwecks erneuter Verdichtung verbunden ist.According to the invention, a turbocompressor is provided which comprises at least one drive unit and at least one first and one second driven by the drive unit, rotatably disposed in each of a first and a second compressor housing compressor wheel, wherein the first and the second compressor substantially axially symmetrical aligned with each other a common shaft are arranged and the first compressor housing with at least one gas line fluidly connected to the second compressor housing for conducting gas compressed from the first compressor to the second compressor wheel for the purpose of recompression.
Erfindungsgemäß ist mit der Gasleitung wärmetechnisch gekoppelt wenigstens ein Zwischenkühler angeordnet, mit dem das vom ersten Verdichterrad verdichtete und zum zweiten Verdichterrad strömende Gas kühlbar ist.According to the invention, at least one intercooler, with which the gas compressed by the first compressor wheel and flowing to the second compressor wheel can be cooled, is arranged with the gas line in a heat-coupled manner.
Es handelt sich hierbei um einen Radial-Verdichter. Die Antriebseinheit ist bevorzugterweise ein Elektromotor, dessen Rotor die Welle ausbildet. Gegebenenfalls kann das Antriebsmoment mehrerer Antriebseinheiten auf die Welle übertragen werden. It is a radial compressor. The drive unit is preferably an electric motor whose rotor forms the shaft. Optionally, the drive torque of several drive units can be transmitted to the shaft.
Die Verdichterräder haben im Wesentlichen eine keglige Hüllform, das heißt, bei Ausbildung als Turbinenrad hat das Verdichterrad ein Turbinenblatt, welches am Schaft beziehungsweise an seiner zur Welle ausgerichteten Seite eine größere Breite aufweist als an seinem radialen Ende.The compressor wheels essentially have a conical shell shape, that is, when designed as a turbine wheel, the compressor wheel has a turbine blade, which on the shaft or on its side facing the shaft has a greater width than at its radial end.
Das Verdichtergehäuse kann ein integraler Bestandteil eines gesamten Gehäuses sein oder es kann einzeln ausgeführt sein.The compressor housing may be an integral part of an entire housing or it may be made individually.
Die Verdichterräder sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wobei vorzugsweise an je einem Ende der Welle ein Verdichterrad angeordnet ist. Der Eintrag eines Drehmomentes in die Welle zwecks Antrieb erfolgt zwischen den Verdichterrädern.The compressor wheels are arranged on a common shaft, wherein preferably at one end of the shaft, a compressor wheel is arranged. The entry of a torque in the shaft for the purpose of driving takes place between the compressor wheels.
Dabei sind die Verdichterräder bevorzugt achssymmetrisch angeordnet, das heißt, die Symmetrie-Achse verläuft senkrecht zur Wellenlängsachse. Die Seiten mit den geringeren Durchmessern der kegligen Hüllform der beiden Verdichterräder weisen in entgegengesetzte Richtungen. Bevorzugt weisen sie voneinander weg.The compressor wheels are preferably arranged axisymmetric, that is, the axis of symmetry is perpendicular to the shaft longitudinal axis. The sides with the smaller diameters of the conical shell shape of the two compressor wheels point in opposite directions. Preferably, they point away from each other.
Dadurch sind die durch beide Verdichterräder in die Welle eingetragenen Axial-Kräfte entgegengesetzt ausgerichtet, so dass es zumindest zu einer teilweisen Aufhebung der in die Welle eingetragenen Axial-Kräfte kommt.As a result, the axial forces introduced into the shaft by both compressor wheels are oppositely oriented so that at least partial cancellation of the axial forces introduced into the shaft occurs.
Die Gasleitung kann ein im Gehäuse integrierter Kanal und somit ein Gasreservoir sein oder eine extra Leitung, die zur Leitung des Gases, welches vom ersten Verdichterrad komprimiert wurde, zum zweiten Verdichterrad zwecks erneuter Komprimierung dient.The gas line can be a channel integrated in the housing and thus a gas reservoir or an extra line which serves to direct the gas which has been compressed by the first compressor wheel to the second compressor wheel for the purpose of recompression.
Die Gasleitung ist derart eingerichtet und angeordnet, dass Wärme aus dem vom ersten Verdichterrad komprimierten Gas in der Gasleitung in den Zwischenkühler übertragbar ist, um so die Temperatur des komprimierten Gases vor Eintritt in die zweite Verdichterstufe zu verringern und somit auch das Volumen des Gases zu verringern.The gas conduit is arranged and arranged such that heat from the gas compressed by the first compressor wheel in the gas conduit is transferable to the intercooler so as to reduce the temperature of the compressed gas prior to entering the second compressor stage and thus also reduce the volume of the gas ,
Dadurch wird erreicht, dass die zweite Verdichterstufe beziehungsweise das zweite Verdichterrad je Gasmenge weniger Leistung aufbringen muss und somit ein höherer Wirkungsgrad erreichbar ist.This ensures that the second compressor stage or the second compressor wheel per gas quantity must apply less power and thus a higher efficiency can be achieved.
Der Vorteil der Kombination der achssymmetrischen Anordnung der Verdichterräder und der Zwischenkühlung liegt darin, dass durch die achssymmetrische Anordnung zumindest teilweise die Axial-Kräfte aufgehoben werden. Dadurch sind kleinere Lager zur Lagerung der Welle einsetzbar, da diese keine großen Axial-Kräfte aufnehmen müssen. Somit ist auch eine entsprechend geringere Dimensionierung der Welle beziehungsweise der Wellenzapfen zur Aufnahme der Lager möglich. Dies wiederum erlaubt sehr hohe Drehzahlen. Sehr hohe Drehzahlen können aber nur dann realisiert werden, wenn eine hohe Antriebsleistung zu Verfügung gestellt wird oder das abnehmbare Drehmoment relativ gering sein darf.The advantage of combining the axisymmetric arrangement of the compressor wheels and the intermediate cooling is that at least partially the axial forces are canceled by the axisymmetric arrangement. As a result, smaller bearings for supporting the shaft are used, since they do not have to absorb large axial forces. Thus, a correspondingly smaller dimensioning of the shaft or the shaft journal for receiving the bearing is possible. This in turn allows very high speeds. But very high speeds can only be realized if a high drive power is provided or the removable torque may be relatively low.
Durch die Zwischenkühlung lässt sich der Gesamt-Wirkungsgrad erhöhen, somit ist nicht mehr ein sehr großes Drehmoment zur Komprimierung erforderlich. Das heißt, dass ohne die Zwischenkühlung zwar eine hohe Drehzahl erzeugbar wäre, jedoch müsste eine hohe Leistung zur Verfügung gestellt werden, um auch das für die zweite Verdichterstufe benötigte Drehmoment zur Verfügung zu stellen. Erst durch die Kombination der achssymmetrischen Anordnung mit der Zwischenkühlung kann mit geringer Antriebsleistung, zum Beispiel elektrischer Antriebsleistung, eine hohe Drehzahl und ein ausreichendes Verdichtungsverhältnis durch beide Verdichterstufen realisiert werden.Due to the intermediate cooling, the overall efficiency can be increased, thus no longer a very large torque is required for compression. This means that although a high speed would be generated without the intermediate cooling, however, a high power would have to be made available in order to provide the torque required for the second compressor stage. Only by combining the axisymmetric arrangement with the intermediate cooling can be realized by both compressor stages with low drive power, for example, electric drive power, a high speed and a sufficient compression ratio.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Turboverdichter mit Zwischenkühler wenigstens eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Antriebseinheit, wobei der Zwischenkühler wärmetechnisch mit der Kühleinrichtung gekoppelt ist.In a preferred embodiment, the turbocompressor with intercooler comprises at least one cooling device for cooling the drive unit, wherein the intercooler is thermally coupled to the cooling device.
Die Kühleinrichtung kann auch Motorkühlung genannt werden und ist bevorzugt als integraler Bestandteil ausgeführt. Es ist somit Wärmeübertragung zwischen dem Zwischenkühler und der Kühleinrichtung möglich.The cooling device can also be called engine cooling and is preferably designed as an integral part. It is thus possible heat transfer between the intercooler and the cooling device.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Zwischenkühler zur Kühlung von Lagern zur Lagerung beweglicher Teile, insbesondere der Welle, des Turboverdichters ausgestaltet ist, wobei der Zwischenkühler derart wärmetechnisch mit der Gasleitung gekoppelt ist, dass Wärme des Gases in der Gasleitung in Kühlflüssigkeit im Zwischenkühler und gegebenenfalls in der Kühleinrichtung übertragbar ist.It can be provided in particular that the intercooler for cooling bearings for the storage of moving parts, in particular the shaft, the turbo compressor is configured, wherein the intercooler is thermally coupled with the gas line such that heat of the gas in the gas line in the cooling liquid in the intercooler and optionally transferable in the cooling device.
Damit wird der Effekt bewirkt, dass Kühlflüssigkeit, welche zur Kühlung der Wellenlager in deren Nähe geführt wird, gleichzeitig dafür genutzt wird, um Wärme aus dem in der ersten Stufe verdichteten Gas abzuführen.Thus, the effect is caused that cooling liquid, which is guided for cooling the shaft bearings in the vicinity, is also used to dissipate heat from the compressed in the first stage gas.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Welle ein Bestandteil eines Rotors einer elektromotorischen Antriebseinheit ist. In alternativer Ausführungsform kann die Welle auch eine Abtriebswelle einer Turbine eines Turboladers sein.In a preferred embodiment it is provided that the shaft is a component of a rotor of an electric motor drive unit. In an alternative embodiment, the shaft may also be an output shaft of a turbine of a turbocharger.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass auf der Welle wenigstens ein Magnet angeordnet ist und somit die Welle einen Rotor eines Elektromotors ausbildet, wobei der Magnet in Richtung der Längsachse der Welle beidseitig durch jeweils eine Bandage gesichert ist. It is further provided that on the shaft at least one magnet is arranged and thus the shaft forms a rotor of an electric motor, wherein the magnet is secured in the direction of the longitudinal axis of the shaft on both sides by a respective bandage.
Das heißt, dass der Rotor auf die Welle gepresste Magneten umfasst, die durch Bandagen gegen Verschieben gesichert sind. Es werden in axialer Richtung sowohl vor als auch hinter den Magneten diese Bandagen auf die Welle geschrumpft. In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Magneten auf die Welle geklebt sind. Diese Ausgestaltung ist dadurch vorteilhaft ausgebildet, dass auf der Welle – den Magnet und die Bandagen zumindest teilweise überdeckend – ein Mantelelement angeordnet ist.That is, the rotor comprises magnets pressed against the shaft, which are secured against displacement by bandages. These bandages are shrunk onto the shaft both in front of and behind the magnets in the axial direction. In an alternative embodiment it is provided that the magnets are glued to the shaft. This embodiment is advantageously formed in that on the shaft - the magnet and the bandages at least partially overlapping - a jacket element is arranged.
Das Mantelelement wird als „Armierung” aufgeschrumpft, die gegebenenfalls mit den ringförmigen Bandagen verschweißt werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Erhöhung der Steifigkeit des Wellenverbundes, der wiederum entscheidend für die Wellenauslegung ist. Ein Verschweißen oder auch Löten der Bandagen führt rechnerisch zu einem „Gesamtkörper” durch die stoffschlüssige Verbindung. Vorteilhafterweise ist die Armierung aus Edelstahl ausgeführt.The shell element is shrunk as a "reinforcement", which can optionally be welded to the annular bandages. This leads to a considerable increase in the stiffness of the composite shaft, which in turn is crucial for the shaft design. A welding or brazing of the bandages leads arithmetically to a "total body" by the cohesive connection. Advantageously, the reinforcement is made of stainless steel.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Welle zur Aufnahme von Lagern an beiden Enden jeweils einen Wellenzapfen aufweist, wobei zumindest in einem der Wellenzapfen eine Längsbohrung eingebracht ist, in welcher ein Temperatursensor positionierbar oder positioniert ist.It may further be provided that the shaft for receiving bearings at both ends in each case has a shaft journal, wherein at least in one of the shaft journal a longitudinal bore is introduced, in which a temperature sensor is positioned or positioned.
Das heißt, in der Weile befinden sich Bohrungen, die zur Temperaturmessung der Lagerinnenringe während des Betriebes dienen. Hierzu können Temperatursensoren eingeführt werden oder es wird eine berührungslose Messung in der Bohrung durchgeführt.That is, in the meantime there are holes that are used for temperature measurement of the bearing inner rings during operation. For this purpose, temperature sensors can be introduced or it is carried out a non-contact measurement in the bore.
In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Verdichterrad einen Durchmesser aufweist, der wenigstens 1/10 größer ist als der Durchmesser des zweiten Verdichterrades.In a particular preferred embodiment, it is provided that the first compressor wheel has a diameter which is at least 1/10 larger than the diameter of the second compressor wheel.
Durch Vorkomprimierung des Gases in der ersten Verdichterstufe muss die zweite Verdichterstufe höhere Leistung bringen. Bei gleicher Dimensionierung der Verdichterräder würden unterschiedliche axiale Kräfte auf die Lager und die Welle wirken, so dass kein Ausgleich der axialen Kräfte auftreten würde und die Lager axiale Kräfte aufnehmen müssten. Um dies zu vermeiden ist das zweite Verdichterrad geringfügig kleiner als das erste Verdichterrad dimensioniert.By pre-compression of the gas in the first compressor stage, the second compressor stage must bring higher power. With the same dimensioning of the compressor wheels different axial forces would act on the bearings and the shaft, so that no compensation of the axial forces would occur and the bearing would have to absorb axial forces. To avoid this, the second compressor wheel is dimensioned slightly smaller than the first compressor wheel.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühleinrichtung wenigstens einen schraubengangförmigen Strömungskanal aufweist.Furthermore, it is preferably provided that the cooling device has at least one helical flow channel.
Das heißt, dass zum Beispiel die Wasserkühlung um einen Elektromotor herum in Form eines Schraubenganges erfolgt. Die Kühleinrichtung ist dabei vorzugsweise eine Flüssigkeitskühlung.That is, for example, the water cooling around an electric motor takes place in the form of a screw thread. The cooling device is preferably a liquid cooling system.
Dabei kann der Verdichter derart ausgestaltet sein, dass er wenigstens zwei Lager zur Lagerung der Welle aufweist und die Kühleinrichtung derart ausgestaltet ist, dass mit ihr in den Lagern generierte Wärme ableitbar ist.In this case, the compressor may be configured such that it has at least two bearings for supporting the shaft and the cooling device is configured such that with her in the camps generated heat can be derived.
Außerdem lassen sich dadurch die Rückwände der Lagergehäuse an den Verdichterrädern wasserkühlen, was eine Verbesserung des Wirkungsgrades bewirkt.In addition, this allows the rear walls of the bearing housing on the compressor wheels water cool, causing an improvement in efficiency.
Vorzugsweise ist der Zwischenkühler mit der Kühleinrichtung wärmetechnisch gekoppelt.Preferably, the intercooler is thermally coupled to the cooling device.
Die Lagerbuchsen zur Aufnahme der Lager sind vorteilhafterweise in das Gehäuse eingegossen und können zur Erreichung einer hohen Genauigkeit aus Stahl ausgeführt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist außerdem vorgesehen, dass die Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der Lager jedem Lager zugeordnet wenigstens einen Ringkanal aufweist, der einen Abstand zum jeweiligen Lager von weniger als 20 mm aufweist. Dieser Ringkanal kann Bestandteil des schraubengangförmigen Strömungskanals sein.The bushings for receiving the bearings are advantageously cast in the housing and can be designed to achieve a high accuracy of steel. In a preferred embodiment, it is also provided that the liquid cooling for cooling the bearings associated with each bearing has at least one annular channel which has a distance from the respective bearing of less than 20 mm. This annular channel may be part of the helical flow channel.
Der Ringkanal reicht auf mindestens 20 mm, bevorzugt auf weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weniger als 2–4 mm an die Lagerbuche heran.The annular channel extends to at least 20 mm, preferably less than 10 mm, in particular less than 5 mm and in a particularly preferred embodiment less than 2-4 mm zoom to the bearing bush.
Bei einer dichten Stahlbuchse beziehungsweise Keramikbuchse des Lagers kann die Kühlflüssigkeit auch direkt bis an die Buchse des Lagers geführt werden, wenn der Kühlkanal im Gehäuse lagerseitig offen ist.In a dense steel bushing or ceramic bushing of the bearing, the cooling liquid can also be performed directly to the bush of the bearing when the cooling channel in the housing is open on the storage side.
Erfindungsgemäß ist die Welle mit einem als Loslager ausgestaltetem Wälzlager und einem als Festlager ausgestaltetem Wälzlager gelagert, wobei das Loslager in axialer Richtung mittels wenigstens einer Tellerfeder eingespannt ist.According to the invention, the shaft is mounted with a rolling bearing designed as a floating bearing and a rolling bearing configured as a fixed bearing, wherein the floating bearing is clamped in the axial direction by means of at least one plate spring.
Vorteilhafterweise sind die Wälzlager in O-Anordnung angeordnet. Die Tellerfeder stützt sich an einem Sicherungsring, der in einer Lagerbuche sitzt, ab, so dass die von der Tellerfeder generierte Kraft gegen den Außenring des Wälzlagers gerichtet ist. Das Loslager wird durch die Tellerfeder axial vorgespannt. Das heißt, der Innenring des Lagers sitzt fest auf der Welle und der Federring der Tellerfeder drückt an den Außenring. Dadurch wird die hohe Hertzsche Pressung erreicht, auf Grund derer eine hohe kritische Drehzahl realisiert werden kann. Die Vorspannkraft beträgt bis zu 250 N, um die Wälzkörper optimal in den Kalottenbahnen zu führen.Advantageously, the rolling bearings are arranged in an O arrangement. The plate spring is supported on a retaining ring which is seated in a bearing bush, so that the force generated by the plate spring is directed against the outer ring of the rolling bearing. The floating bearing is biased axially by the plate spring. That is, the inner ring of the bearing is stuck on the shaft and the spring washer of the diaphragm spring presses on the outer ring. As a result, the high Hertzian pressure is reached, due to which a high critical speed can be realized. The preload force is up to 250 N, in order to guide the rolling elements optimally in the Kalottenbahnen.
Die Richtung der axialen Vorspannung entspricht dabei der Richtung der Wellenlängsachse.The direction of the axial bias corresponds to the direction of the shaft longitudinal axis.
Die Tellerfeder des Turboverdichters ist bevorzugt derart eingerichtet, dass sie im montierten Zustand zwischen Lagerbuchse und Lageraußenring unabhängig von der Wärmeausdehnung der Welle im Wesentlichen die gleiche Kraft auf den Außenring des Loslagers aufbringt. Das heißt, dass die Tellerfeder derart vorgespannt angeordnet ist, dass bei wärmeänderungsbedingter Längenausdehnung der Welle mit einem bestimmten Weg die Federkennlinie im Wesentlichen keine Steigung aufweist, so dass die Federkraft unabhängig von dem Einfederungsweg gleich bleibt.The plate spring of the turbocompressor is preferably set up in such a way that it applies substantially the same force to the outer ring of the movable bearing in the installed state between the bearing bush and the bearing outer ring, independently of the thermal expansion of the shaft. That is, the plate spring is arranged biased so that when heat change caused linear expansion of the shaft with a certain way the spring characteristic has substantially no slope, so that the spring force remains the same regardless of the compression travel.
Die Federcharakteristik besitzt somit im Betriebspunkt beziehungsweise in der Betriebsstrecke eine waagerechte Asymptote. Dies führt dazu, dass sich auf Grund von Wärmedehnungen die axiale Vorspannung im Betrieb nicht ändert und somit auch der Winkel der Kugelanstellung unverändert bleibt, was entscheidend für die Lebensdauer der Lagerung ist. Die axiale Vorspannung der Lagerung kann bis zur Belastungsgrenze des Werkstoffes der Lagerinnenringe durchgeführt werden. Je höher die Vorspannung ist, umso steifer wird die Lagerung, was wiederum die biegekritische Drehzahl erhöht.The spring characteristic thus has a horizontal asymptote at the operating point or in the operating section. This means that due to thermal expansion, the axial bias does not change during operation and thus the angle of the ball adjustment remains unchanged, which is crucial for the life of the storage. The axial preload of the bearing can be performed up to the load limit of the material of the bearing inner rings. The higher the preload, the stiffer the storage, which in turn increases the critical bending speed.
Durch diese Maßnahme wird eine sehr steife Wellenlagerung realisiert, das heißt, es entsteht eine sehr hohe Hertzsche Pressung.By this measure, a very stiff shaft bearing is realized, that is, there is a very high Hertzian pressure.
In bevorzugter oder alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Welle mit Wälzlagern gelagert ist, die als abgedichtete Hybridlager ausgestaltet sind.In a preferred or alternative embodiment, it is provided that the shaft is mounted with roller bearings, which are designed as sealed hybrid bearings.
Ein Hybridlager ist ein Kugellager mit herkömmlichen Lagerringen aus Wälzlagerstahl und Kugeln aus einer hochfesten Keramik, insbesondere einer Siliziumnitridkeramik.A hybrid bearing is a ball bearing with conventional bearing rings made of bearing steel and balls made of a high-strength ceramic, in particular a Siliziumnitridkeramik.
Der Vorteil von keramischen Kugeln besteht in der Unterbrechung des magnetischen Flusses. Außerdem treten bei Einsatz des Turboverdichters zur Brennstoffzellenluftversorgung keinerlei Kontaminationen wie mit einer herkömmlichen Ölschmierung beziehungsweise Ölnebelschmierung auf.The advantage of ceramic balls is the interruption of the magnetic flux. In addition, when using the turbocompressor for fuel cell air supply occur no contamination as with a conventional oil lubrication or oil mist lubrication.
Vorteilhafterweise sind die Wälzlager lebensdauerfettgeschmiert. Auf Grund der Kapselung der Wälzlager ist kein Austreten von Schmierstoff und demzufolge keine Kontamination des komprimierten Gases zu befürchten.Advantageously, the rolling bearings are lubricated for life grease. Due to the encapsulation of the rolling bearings no leakage of lubricant and consequently no contamination of the compressed gas is to be feared.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der Verdichtergehäuse einen Verdichtungsraum ausbildet und die Welle in einem Rotorraum, der von den Verdichtungsräumen abgegrenzt ist, angeordnet ist, wobei wenigstens einer der Verdichtungsräume mit dem Rotorraum mittels eines Bypasses zur Realisierung einer Gasströmung von diesem Verdichtungsraum in den Rotorraum verbunden ist.In a further advantageous embodiment, it is provided that each of the compressor housing forms a compression space and the shaft is arranged in a rotor space which is delimited by the compression spaces, wherein at least one of the compression chambers with the rotor space by means of a bypass for realizing a gas flow from this compression space is connected in the rotor space.
Der Bypass stellt somit einen parallelen Leitungsstrang zu einer die Verdichtergehäuse verbindenden Gasleitung dar.The bypass thus represents a parallel wiring harness to a gas line connecting the compressor housing.
Der Bypass kann in Form einer oder mehrerer Bohrungen zwischen dem Verdichtungsraum und dem Rotorraum ausgeführt sein. Er sorgt dafür, dass gegebenenfalls auftretende Drücke nicht durch die Lager geführt werden, da es ansonsten auf Dauer zu einem Ausspülen des Lagerfettes und damit zum Ausfall der Lager kommen könnte. Das heißt, dass ohne die Bohrung ein stetiger Druck auf die Lager ausgeübt werden würde, der bei längerem Betrieb zu einer Ausspülung der Lager und Kontamination des komprimierten Gases mit Schmierstoffpartikeln führen könnte. Durch die Bohrung lässt sich demzufolge jegliche Bildung von Ölnebeln verhindern.The bypass can be designed in the form of one or more holes between the compression space and the rotor space. It ensures that any occurring pressures are not passed through the bearings, otherwise it could lead to a rinsing out of the bearing grease and thus to the failure of the bearings in the long term. This means that without the bore a steady pressure would be exerted on the bearings, which could lead to a rinsing of the bearings and contamination of the compressed gas with lubricant particles during prolonged operation. Consequently, the formation of oil mist can be prevented by the drilling.
Die Wälzlager sind vorzugsweise wassergekühlt beziehungsweise wasserkühlbar.The rolling bearings are preferably water-cooled or water-cooled.
Zur Abdichtung des Verdichtungsraumes ist vorgesehen, dass die Verdichterräder und die ihnen zugeordneten Verdichtergehäuse mittels komplementär ausgestalteten Formelementen wenigstens eine Labyrinthdichtung ausbilden. Dabei kann das Verdichtergehäuse im Bereich der Labyrinthdichtung Bestandteil eines Motorgehäuses zur Aufnahme und Lagerung der als Rotor dienenden Welle sein. Die Labyrinthdichtung ist somit an der Rückseite eines Verdichterrades, das heißt, an der Seite seines größeren Umfanges, angeordnet.To seal the compression space, it is provided that the compressor wheels and the compressor housings assigned to them form at least one labyrinth seal by means of complementary shaped elements. In this case, the compressor housing in the region of the labyrinth seal may be part of a motor housing for receiving and supporting the shaft serving as a rotor. The labyrinth seal is thus arranged on the back of a compressor wheel, that is, on the side of its larger circumference.
Vorteilhafterweise ist der Turboverdichter derart eingerichtet, dass eine Nenndrehzahl der Welle von mindestens 60.000 min–1 realisierbar ist, wobei der Verdichter eine kritische Drehzahl aufweist, die größer ist als die Nenndrehzahl.Advantageously, the turbo-compressor is configured such that a nominal rotational speed of the shaft of at least 60,000 can be realized min -1, wherein the compressor has a critical rotational speed that is greater than the rated speed.
Der Turboverdichter ist insbesondere für Drehzahlen von über 80.000 min–1 und vorteilhaft über 100.000 min–1 ausgelegt. In einer besonderen Ausgestaltung ist der Turboverdichter für eine Drehzahl von bis zu 125.000 min–1 ausgelegt. Der Turboverdichter kann daher unterkritisch betrieben werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass kein Durchfahren von kritischen Drehzahlen notwendig ist. Der Verdichter kann seinen gesamten Arbeitsbereich zur Verdichtung der Luft nutzen.The turbocompressor is particularly adapted for rotational speeds in excess of 80,000 min -1 and advantageously about 100,000 min -1. In a particular embodiment, the turbo-compressor for a speed of up to 125,000 is designed min -1. The turbocompressor can therefore be operated subcritically. This has the distinct advantage of not having to drive through critical speeds is. The compressor can use its entire working area to compress the air.
In bevorzugter Ausführungsform weist die Welle ein Verhältnis von Gesamtlänge der Welle Lw zum maximalen Durchmesser Dw der Welle von Lw/Dw = 6 bis 8 auf. Das heißt, es wird eine sehr kurze und kompakte Welle verwendet, so dass die biegekritische Drehzahl sehr hoch ist.In a preferred embodiment, the shaft has a ratio of total length of the shaft Lw to the maximum diameter Dw of the shaft of Lw / Dw = 6 to 8. This means that a very short and compact shaft is used so that the critical speed is very high.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Gesamtlänge der Welle Lw zum maximalen Durchmesser Dw der Welle von Lw/Dw = 7,3, wobei in der Länge Lw die Länge der beidseitigen Wellenzapfen mit einbezogen sind.Preferably, the ratio of the total length of the shaft Lw to the maximum diameter Dw of the shaft is Lw / Dw = 7.3, the length of the bilateral shaft journals being included in the length Lw.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer der Wellenzapfen ein Verhältnis von Gesamtlänge des Wellenzapfens Lz zum maximalen Durchmesser Dz des Wellenzapfens von Lz/Dz = 3 bis 5 aufweist.In addition, it can be provided that at least one of the shaft journals has a ratio of overall length of the shaft journal Lz to the maximum diameter Dz of the shaft journal of Lz / Dz = 3 to 5.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis Lz/Dz = 4,3. Die bevorzugte Länge der Welle über alles beträgt 175 mm. Die bevorzugte Länge eines Wellenzapfens beträgt 39 mm. Der bevorzugte maximale Durchmesser der Welle beträgt 24 mm. Der bevorzugte durchschnittliche Durchmesser der Wellenzapfen beträgt 9 mm.Preferably, the ratio Lz / Dz = 4.3. The preferred length of the shaft is 175 mm. The preferred length of a shaft journal is 39 mm. The preferred maximum diameter of the shaft is 24 mm. The preferred average diameter of the shaft journals is 9 mm.
Zur effizienten Gaskühlung kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Gasreservoir in einem Gehäuse des Turboverdichters in unmittelbarer Nähe eines mit Kühlflüssigkeit zumindest teilweise befüllten oder befüllbaren Hohlraumes angeordnet ist.For efficient gas cooling, provision can furthermore be made for a gas reservoir to be arranged in a housing of the turbocompressor in the immediate vicinity of a cavity which is at least partially filled or filled with cooling liquid.
Das Gasreservoir kann durch die Gasleitung ausgebildet sein oder strömungstechnisch mit ihr verbunden sein und ist vorzugsweise derart dicht an dem mit Kühlflüssigkeit zumindest teilweise befüllten oder befüllbaren Hohlraum angeordnet, dass mindestens 50% der Wärme des Gases in die Kühlflüssigkeit übertragbar ist.The gas reservoir can be formed by the gas line or can be fluidically connected to it and is preferably arranged so close to the cavity at least partially filled or filled with cooling liquid, that at least 50% of the heat of the gas is transferable into the cooling liquid.
Vorteilhafterweise ist eine Wand der Gasleitung beziehungsweise des Gasreservoirs als eine Wand der Kühlflüssigkeitsleitung ausgebildet.Advantageously, a wall of the gas line or of the gas reservoir is designed as a wall of the coolant line.
Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühleinrichtung wenigstens einen ersten Sammler zur Zwischenspeicherung von den Lagern und dem Gasreservoir zuzuführender Kühlflüssigkeit und wenigstens einen zweiten Sammler zur Sammlung der von den Lagern und dem Gasreservoir kommenden Kühlflüssigkeit aufweist. Das heißt, die Motorkühlung und Kühlung der beiden Lagerstellen erfolgt über einen im Motorgehäuse integrierten Sammler, von dem alle drei Kreise (Motorkühlung, Kühlung des ersten Lagers und Kühlung des zweiten Lagers) gespeist werden. Nach Durchfließen dieser drei Kreisläufe wird das Kühlwasser in einem ebenfalls integrierten Sammler gesammelt und danach an die Kühleinrichtung des Fahrzeuges übergeben.In addition, it is preferably provided that the cooling device has at least one first collector for temporarily storing cooling liquid to be supplied from the bearings and the gas reservoir and at least one second collector for collecting the cooling liquid coming from the bearings and the gas reservoir. This means that the engine cooling and cooling of the two bearing points takes place via a collector integrated in the motor housing, from which all three circuits (motor cooling, cooling of the first bearing and cooling of the second bearing) are fed. After flowing through these three circuits, the cooling water is collected in an integrated collector and then transferred to the cooling device of the vehicle.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Verdichtung von Gas, insbesondere von Luft, mittels eines Turboverdichters, welcher wenigstens eine Antriebseinheit und mindestens ein erstes und ein zweites von der Antriebseinheit antreibbares, in jeweils einem ersten und einem zweiten Verdichtergehäuse rotierbar angeordnetes Verdichterrad umfasst, wobei das erste und das zweite Verdichterrad im Wesentlichen achssymmetrisch zueinander ausgerichtet auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und das erste Verdichtergehäuse mit wenigstens einer Gasleitung strömungstechnisch mit dem zweiten Verdichtergehäuse zur Leitung von vom ersten Verdichterrad komprimierten Gas an das zweite Verdichterrad zwecks erneuter Verdichtung verbunden ist. Erfindungsgemäß wird das vom ersten Verdichterrad in einer ersten Verdichtungsstufe komprimierte Gas durch die Gasleitung dem zweiten Verdichterrad zwecks Verdichtung in einer zweiten Verdichtungsstufe zugeleitet, wobei das Gas zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdichtungsstufe mittels wenigstens eines Zwischenkühlers gekühlt wird. Das heißt, dass das von der ersten Verdichterstufe verdichtete Gas vor der Komprimierung in der zweiten Verdichterstufe gekühlt wird. Somit ist das Verfahren insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Turboverdichter ausführbar.The invention also relates to a method for compressing gas, in particular air, by means of a turbocompressor, which comprises at least one drive unit and at least a first and a second drivable by the drive unit drivable, in each case a first and a second compressor housing rotatably arranged compressor wheel, wherein the the first and the second compressor wheel are arranged substantially axially symmetrical aligned with each other on a common shaft and the first compressor housing with at least one gas line fluidly connected to the second compressor housing for directing compressed gas from the first compressor to the second compressor wheel for re-compression. According to the invention, the gas compressed by the first compressor wheel in a first compression stage is fed through the gas conduit to the second compressor wheel for compression in a second compression stage, the gas being cooled between the first compression stage and the second compression stage by means of at least one intercooler. That is, the gas compressed by the first compressor stage is cooled prior to compression in the second compressor stage. Thus, the method can be carried out in particular with a turbocompressor according to the invention.
Die Kühlflüssigkeit im Zwischenkühler ist dabei vorzugsweise Wasser oder ein Gemisch von Wasser und einem Kühlmittel.The cooling liquid in the intercooler is preferably water or a mixture of water and a coolant.
Zwecks Vermeidung des Durchfahrens eines kritischen Drehzahlbereiches ist vorgesehen, dass der Turboverdichter mit einer Drehzahl der Welle betrieben wird, die unter der kritischen Drehzahl des Turboverdichters liegt. Der Turboverdichter zur Durchführung des Verfahrens ist derart eingerichtet, dass eine Nenndrehzahl der Welle von mindestens 60.000 min–1 realisierbar ist, wobei der Verdichter eine kritische Drehzahl aufweist, die größer ist als die Nenndrehzahl.In order to avoid passing through a critical speed range, it is provided that the turbocompressor is operated at a rotational speed of the shaft which is below the critical rotational speed of the turbocompressor. The turbocompressor for performing the method is arranged such that a nominal rotational speed of the shaft of at least 60,000 can be realized min -1, wherein the compressor has a critical rotational speed that is greater than the rated speed.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das von beiden Verdichtungsstufen insgesamt realisierte Verdichtungsverhältnis mindestens 1 bar beträgt. Vorteilhafterweise ist Verdichtungsverhältnis über 2 bar und in einer besonderen Ausgestaltung 2,6 bar.It is preferably provided that the overall compression ratio realized by the two compression stages is at least 1 bar. Advantageously, compression ratio is above 2 bar and in a particular embodiment 2.6 bar.
Es ist weiterhin zur Vermeidung von Überhitzung vorgesehen, dass beim Betrieb des Turboverdichters die Temperatur der Wellenlager gemessen wird. Die Temperaturbestimmung kann dabei insbesondere durch Infrarotmessung erfolgen. Die Drehzahl des Verdichters kann in Abhängigkeit der in den Lagern gemessenen Temperaturen geregelt werden.It is also provided to prevent overheating that the temperature of the shaft bearings is measured during operation of the turbocompressor. The temperature determination can be carried out in particular by infrared measurement. The speed of the compressor can be controlled as a function of the temperatures measured in the bearings.
Das Verfahren kann derart durchgeführt werden, dass das Verdichtungsverhältnis mindestens 1,5 bar bei einer Gasmenge von mindestens 50 g/s beträgt. Vorteilhafterweise ist der Turboverdichter derart eingerichtet, dass mit ihm bei der Verdichtung von Luft ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 2,6 bar bei einer Luftmenge von 80 g/s realisierbar ist, wobei dabei die Realisierbarkeit anderer Verdichtungsverhältnisse nicht ausgeschlossen sein soll. The process can be carried out such that the compression ratio is at least 1.5 bar with a gas quantity of at least 50 g / s. Advantageously, the turbocompressor is set up such that a compression ratio of up to 2.6 bar with an air quantity of 80 g / s can be achieved with it during the compression of air, wherein the feasibility of other compression ratios should not be excluded.
Bevorzugt beträgt das Verdichtungsverhältnis 2,6 bar bei einer Gasmenge von 80 g/s. insbesondere wird das Verfahren zur Komprimierung eines Gases oder eines Gasgemisches mittels einer zweistufigen Verdichtung durchgeführt, wobei das Gas beim Eintritt in die erste Verdichtungsstufe eine Temperatur von 293 K und in der ersten Verdichtungsstufe eine Temperatur von 383 K erhält, durch die Flüssigkeitskühlung um mindestens 20 K abgekühlt wird, der zweiten Verdichtungsstufe zugeführt wird und in der zweiten Verdichtungsstufe auf 389 K erwärmt wird.The compression ratio is preferably 2.6 bar with a gas quantity of 80 g / s. In particular, the process for compressing a gas or a gas mixture is carried out by means of a two-stage compression, wherein the gas at the entrance to the first compression stage, a temperature of 293 K and in the first compression stage, a temperature of 383 K, by the liquid cooling by at least 20 K. is cooled, the second compression stage is supplied and is heated to 389 K in the second compression stage.
Beim Betrieb des Verdichters in einem Hybridfahrzeug erfolgt dann eine erneute Abkühlung in einem Kühler auf eine gewünschte Betriebstemperatur. Die Abkühlung in der Zwischenkühlung wie auch in der Endkühlung beim Hybrid sollte mindestens 20 K betragen, Insbesondere mehr als 30 K, vorzugsweise mindestens 40 K und bevorzugt 50 K.When the compressor is operated in a hybrid vehicle, a renewed cooling in a cooler then takes place to a desired operating temperature. The cooling in the intermediate cooling as well as in the final cooling in the hybrid should be at least 20 K, in particular more than 30 K, preferably at least 40 K and preferably 50 K.
Beim Einsatz in einem Brennstoffzellenfahrzeug erfolgt keine erneute Abkühlung, da im Brennstoffzellenfahrzeug warme Luft eingesetzt wird.When used in a fuel cell vehicle, no further cooling takes place, since warm air is used in the fuel cell vehicle.
Die Erfindung ergänzend wird außerdem ein Brennstoffzellen-Antrieb sowie eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt, wobei der Brennstoffzellen-Antrieb wenigstens eine Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie und einen erfindungsgemäßen Verdichter zur Zuführung von komprimierter Luft zu wenigstens einer Brennstoffzelle aufweist.The invention additionally provides a fuel cell drive and an internal combustion engine, wherein the fuel cell drive has at least one fuel cell for generating electrical energy and a compressor according to the invention for supplying compressed air to at least one fuel cell.
Der erfindungsgemäße Verdichter lässt sich insbesondere für die Brennstoffzellenluftversorgung nutzen.The compressor according to the invention can be used in particular for the fuel cell air supply.
Die Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine als Bestandteil eines Hybrid-Antriebes eines Kraftfahrzeuges und umfasst neben einem Verbrennungsmotor einen erfindungsgemäßen Verdichter zur Zuführung von komprimierter Luft zum Verbrennungsmotor.The internal combustion engine is in particular an internal combustion engine as part of a hybrid drive of a motor vehicle and, in addition to an internal combustion engine, comprises a compressor according to the invention for supplying compressed air to the internal combustion engine.
Die Erfindung wird durch ein Kraftfahrzeug ergänzt, welches einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Antrieb oder eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine aufweist.The invention is supplemented by a motor vehicle which has a fuel cell drive according to the invention or an internal combustion engine according to the invention.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Figuren dargestellten Beispieles eines zweistufigen Verdichters erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the example of a two-stage compressor shown in the accompanying figures. Show it:
Der zweistufige Verdichter ist mit im Wesentlichen achssymmetrisch angeordneten Verdichterrädern ausgestattet, elektrisch angetrieben und radialer Bauart. Vorzugsweise ist der Verdichter zur Versorgung von Brennstoffzellen mit komprimierter Luft einzusetzen, jedoch ist seine Anwendung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Hybridfahrzeugen, zur Herstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ebenso möglich. Das angestrebte Verdichtungsverhältnis kann bis zu 2,6 bar bei einer Luftmenge von 80 g/s betragen.The two-stage compressor is equipped with essentially axially symmetrical compressor wheels, electrically driven and radial design. Preferably, the compressor for supplying fuel cells with compressed air is to be used, but its application in internal combustion engines, especially in hybrid vehicles, for the preparation of the fuel-air mixture is also possible. The desired compression ratio can be up to 2.6 bar with an air volume of 80 g / s.
Wie aus
Es lässt sich somit bei Betätigung des Motors die Verdichtung von Luft gleichzeitig in zwei Verdichterstufen
Das Wälzlager
Es ist ersichtlich, dass die Rotorwelle
Die Rotorwelle
Ein jeweiliger Wellenzapfen hat ein Verhältnis von Länge Lz zum maximalen Durchmesser Dz des Wellenzapfens von Lz/Dz = 3 bis 5, vorzugsweise 4,3.A respective shaft journal has a ratio of length Lz to the maximum diameter Dz of the shaft journal of Lz / Dz = 3 to 5, preferably 4.3.
Bevorzugt beträgt die Länge der Rotorwelle über alles 160 mm bis 195 mm, vorzugsweise 175 mm. Die bevorzugte Länge eines Wellenzapfens beträgt zwischen 30 mm und 50 mm, vorzugsweise 39 mm. Der bevorzugte maximale Durchmesser der Welle beträgt zwischen 20 mm und 30 mm, vorzugsweise 24 mm. Ein bevorzugter Wellenzapfendurchmesser beträgt zwischen 7 mm und 11 mm, vorzugsweise 9 mm.Preferably, the length of the rotor shaft is more than 160 mm to 195 mm, preferably 175 mm. The preferred length of a shaft journal is between 30 mm and 50 mm, preferably 39 mm. The preferred maximum diameter of the shaft is between 20 mm and 30 mm, preferably 24 mm. A preferred shaft journal diameter is between 7 mm and 11 mm, preferably 9 mm.
Auf der Rotorwelle
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Magnet
Ebenfalls in
Die Wälzlager
Die von der Tellerfeder bewirkte Vorspannkraft beträgt bis zu 250 N, um die Wälzkörper
Die Wellenlagerung des erfindungsgemäßen Verdichters ist derart ausgelegt, dass der Verdichter eine Drehzahl von 60.000 min–1, insbesondere 80.000 min–1 und in besonders vorteilhafter Ausgestaltung über 100.000 mm–1 erreichen kann. Beste Ergebnisse hinsichtlich des Energiebedarfs und der Leistung sind bei einer Drehzahl von 125.000 mm–1 erreichbar. Dabei sind die Rotorwelle
Vorteilhafterweise ist jeweils wenigstens ein Teil des Wälzlagers
Vorzugsweise sind beide Wälzlager
In einer alternativen Ausführungsform können die Wälzlager
Wie bereits erwähnt, ist das zweite Verdichterrad
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Verdichterrad
Das Motorgehäuse
Die Gehäusedeckel
Zur Vorspannung der Wälzlager
Das der ersten Verdichterstufe
Insbesondere bei der Anwendung des Verdichters zur Luftzufuhr an Brennstoffzellen, bei der jegliche Bildung von Öl-Nebel zu verhindern ist, sollte der Verdichter derart ausgeführt sein, dass ein Strömungskanal in Form eines Bypasses
Der gesamte, durch Rotorwelle
Durch diese Maßnahmen der Kühlung der Verdichterräder
Die Motorkühlung
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verdichters liegt insbesondere darin, dass von der ersten Verdichterstufe
Im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen ist somit keine externe und gesonderte Leitung zum Transport der in der ersten Verdichterstufe
Das mit dem zweistufigen Verdichter erzielbare Verdichtungsverhältnis beträgt mindestens 1 bar, insbesondere 1,5 bar und vorteilhafterweise über 2 bar. Bei den genannten technischen Maßen beträgt das Verdichtungsverhältnis insbesondere 2,6 bar. Dabei sind die Betriebsbedingungen in etwa derart einzustellen, dass eine mit einer Temperatur von etwa 293 Kelvin eintretende Luft am Austritt der ersten Verdichtungsstufe
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verdichters zur Komprimierung von Luft zur Zuführung zu einem Verbrennungsmotor eines Hybridfahrzeuges erfolgt eine erneute Abkühlung in einem Kühler auf die gewünschte Betriebstemperatur.When using the compressor according to the invention for the compression of air for supplying to an internal combustion engine of a hybrid vehicle, a renewed cooling in a cooler to the desired operating temperature.
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verdichters zur Zuführung von Luft zu Brennstoffzellen, insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug, erfolgt keine erneute Abkühlung, da die durch die Verdichtung erzielte Wärme im komprimierten Gas durch die Brennstoffzellen verwertbar ist.When using the compressor according to the invention for supplying air to fuel cells, in particular in a fuel cell vehicle, no renewed cooling takes place, since the heat generated by the compression in the compressed gas can be utilized by the fuel cells.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verdichters an einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Hybridfahrzeug, sollte durch den Zwischenkühler
In den
In
Anschließend wird, wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Motorgehäusemotor housing
- 22
- Gehäusedeckelhousing cover
- 1010
- Erste VerdichterstufeFirst compressor stage
- 1111
- Erstes VerdichterradFirst compressor wheel
- 1212
- Erstes VerdichtergehäuseFirst compressor housing
- 1313
- Erster AnsaugstutzenFirst intake manifold
- 1414
- Erster AuslassFirst outlet
- 2020
- Zweite VerdichterstufeSecond compressor stage
- 2121
- Zweites VerdichterradSecond compressor wheel
- 2222
- Zweites VerdichtergehäuseSecond compressor housing
- 2323
- Zweiter AnsaugstutzenSecond intake manifold
- 2424
- Zweiter AuslassSecond outlet
- 3030
- Rotorwellerotor shaft
- 3131
- Wellenzapfenshaft journal
- 3232
- Bohrungendrilling
- 3333
- Magnetmagnet
- 3434
- Bandagebandage
- 3535
- Armierungreinforcement
- 3636
- Lagerabsatzstockists sales
- 4040
- Temperatursensortemperature sensor
- 5050
- Wälzlagerroller bearing
- 5151
- Wälzkörperrolling elements
- 5252
- LagerinnenringBearing inner ring
- 5353
- LageraußenringBearing outer ring
- 5454
- Lagerbuchsebearing bush
- 6060
- TellerfederBelleville spring
- 6161
- Federringspring washer
- 6262
- Sicherungsringcirclip
- 7070
- Labyrinthdichtunglabyrinth seal
- 8080
- Bypassbypass
- 8181
- Verdichtungsraumcompression chamber
- 8282
- Rotorraumrotor chamber
- 9090
- Motorkühlungengine cooling
- 9191
- SchraubengangkanalHelical channel
- 9292
- LagerkühlungStore cooling
- 9393
- Ringkanalannular channel
- 9494
- Erster SammlerFirst collector
- 9595
- Zweiter SammlerSecond collector
- 100100
- Zwischenkühlerintercooler
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19814485 A1 [0011] DE 19814485 A1 [0011]
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