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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für Luftzuführsysteme, ein Luftzuführsystem und einen Brennstoffzellenmotor mit Luftzuführsystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Im Bereich der Entwicklung zukunftsträchtiger Antriebssysteme gilt es unterschiedliche Ziele zu verfolgen. Auf der einen Seite müssen die Antriebssysteme die stetig strenger werdenden Emissionsauflagen erfüllen. Auf der anderen Seite erwarten die Endbenutzer einen geringeren Verbrauch bei gleichbleibenden oder verbesserten Fahrleistungen. Um diese Ziele zu erreichen gibt es verschiedene Lösungen. Zum Beispiel werden die meisten Motoren der neueren Generation mit Luftzuführsystemen wie (Abgas-)Turboladern ausgerüstet. Um derartige Systeme noch effizienter zu machen, kommen inzwischen auch turbinengetriebene Luftzuführsysteme (Abgasturbolader) mit Elektromotorunterstützung, sogenannte eTurbos, zum Einsatz.
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Alternative Antriebssysteme sind zum Beispiel Brennstoffzellenmotoren, die erhebliche Vorteile im Emissionsbereich mit sich bringen. Auch bei Brennstoffzellenmotoren kommen elektrisch angetriebene oder elektrisch unterstützte Luftzuführsystem zum Einsatz. Diese Luftzuführsysteme können wie bekannte Abgasturbolader auch von Turbinen angetrieben werden.
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Sowohl die eTurbo-Luftzuführsysteme, als auch die Luftzuführsysteme mit Elektromotoren für Brennstoffzellenmotoren benötigen im zentralen Lager/Rotorgehäuse Bauraum für die Elektromotor-Komponenten. Dies kann unter anderem zu einer Vergrößerung bzw. Verlängerung der Welle des Luftzuführsystems führen. Eine Vergrößerung bzw. Verlängerung der Welle bedeutet aber gleichzeitig auch eine Erhöhung des Gewichts der Welle und eine Verschlechterung rotationsdynamischer Eigenschaften. Wenn zusätzlich noch eine variable Turbinengeometrie zum Einsatz kommen soll, um die Effizienz und Variabilität der Luftzuführsysteme weiter zu steigern, werden die genannten Probleme noch stärker ausgeprägt. Generell sind deshalb die Drehzahlen derartiger Systeme nach oben begrenzt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es demnach eine Turbinenanordnung bzw. ein Luftzuführsystem, optional mit Elektromotorunterstützung, bereitzustellen, das den Einsatz einer variablen Turbinengeometrie ermöglicht und höher Drehzahlen zulässt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung für Luftzuführsysteme gemäß Anspruch 1 und Anspruch 3, ein Luftzuführsystem gemäß Anspruch 14 und einen Brennstoffzellenmotor mit Luftzuführsystem gemäß Anspruch 15.
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Nach einer ersten Ausführungsform weist eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung ein Turbinengehäuse zur Aufnahme eines Turbinenrads auf, wobei das Turbinengehäuse einen Hauptkörper, der eine Volute definiert, und einen Stutzen umfasst. Außerdem umfasst die Turbinenanordnung eine Kartusche einer variablen Turbinengeometrie. Die Kartusche ist zwischen dem Hauptkörper und dem Stutzen angeordnet.
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In Ausgestaltungen kann die Kartusche eine Scheibe und einen Schaufellagerring aufweisen, wobei der Schaufellagerring näher an einer Gasauslassöffnung des Turbinengehäuses angeordnet ist als die Scheibe.
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Nach einer zweiten Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung ein Turbinengehäuse zur Aufnahme eines Turbinenrads, wobei das Turbinengehäuse einen Hauptkörper aufweist, der eine Volute definiert. Außerdem weist die Turbinenanordnung eine Kartusche einer variablen Turbinengeometrie auf, die im Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei die Kartusche eine Scheibe und einen Schaufellagerring umfasst. Der Schaufellagerring der Kartusche ist näher an einer Gasauslassöffnung des Turbinengehäuses angeordnet als die Scheibe der Kartusche.
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In Ausgestaltungen kann das Turbinengehäuse außerdem einen Stutzen aufweisen, der die Gasauslassöffnung definiert.
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In Ausgestaltungen, die mit allen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen für die Turbinenanordnung kombinierbar sind, kann der Schaufellagerring in radialer Richtung nach außen von dem Hauptkörper umgeben sein und in radialer Richtung nach innen einen axialen Vorsprung des Stutzens umgeben.
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In Ausgestaltungen, die mit allen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, kann die Turbinenanordnung außerdem eine Stelleinheit für die Kartusche aufweisen, wobei die Stelleinheit einen Aktuator umfassen kann, der außen an dem Hauptkörper angeordnet ist.
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Ein derartiges Design für die Turbinenanordnung bringt eine Reihe an Vorteilen mit sich. Durch die Anordnung der Stelleinheit an dem Gehäuse der Turbinenanordnung stellt die Turbinenanordnung eine autonome Einheit dar, die das Turbinengehäuse und die VTG-Mechanik inklusive Stelleinheit umfasst. Diese kann deshalb in einer frei wählbaren Position/Ausrichtung (Rotation um 360° möglich) an einem Luftzuführsystem angeordnet sein. Die Variabilität der Anordnung bringt zusätzlich erhebliche Vorteile für die Montage mit sich.
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Dadurch, dass die VTG-Kartusche und die Stelleinheit in bzw. an der Turbinenanordnung untergebracht sind, können die anderen Komponenten (Welle sowie Lagergehäuse bei herkömmlichen Abgasturboladern bzw. Elektromotorkomponenten/Gehäuse bei Brennstoffzellenanwendung und Turboladern mit Elektromotorunterstützung (eTurbo)) kleiner ausgestaltet werden. Somit können die Welle bzw. der Rotor kleiner, insbesondere kürzere Abmessungen haben. Dies hat den Vorteil einer Größenreduktion und einer Gewichtsersparnis für die Welle. Die kleinere und leichtere Welle bzw. der kleinere und leichtere Rotor bringen außerdem rotationsdynamische Vorteile mit sich. Durch die geringeren Massen und Trägheiten können höhere Drehzahlen realisiert werden als in bekannten Luftzuführsystemen mit variabler Turbinengeometrie und mit elektrischer Unterstützung. Zusätzlich bringen die Gewichts- und Größenreduktionen Materialeinsparungen und somit Kostenvorteile mit sich.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, kann der Aktuator über ein Bindeglied an dem Hauptkörper befestigt sein. Der Stutzen kann einen axialen Durchgang aufweisen. Die Stelleinheit kann eine Koppeleinheit aufweisen, die an einem ersten Ende mit dem Aktuator gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit der Kartusche gekoppelt ist, wobei sich die Koppeleinheit durch den Durchgang hindurch erstreckt. Die Koppeleinheit kann eine Stellstange und einen Hebel aufweisen, die drehbar zueinander gekoppelt sind, wobei ein sich axial erstreckendes Element des Hebels in dem Durchgang angeordnet sein kann. Insbesondre kann zwischen dem Durchgang und dem sich axial erstreckenden Element des Hebels eine Hülse angeordnet sein. Zwischen dem sich axial erstreckenden Element des Hebels und einer Wand des Durchgangs und/oder der Hülse kann eine erste Dichtung angeordnet sein, insbesondere kann die erste Dichtung mindestens einen O-Ring umfassen.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, kann am Umfang des Stutzens eine Aussparung vorgesehen sein, wobei Teile der Stelleinheit, insbesondere Teile der Koppeleinheit, in der Aussparung angeordnet sein können. Insbesondere kann der Durchgang im Bereich der Aussparung münden.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, kann die Stelleinheit räumlich derart angeordnet sein, dass die Stelleinheit im Bereich des Endes der Volute mit kleinem Querschnitt mit der Kartusche gekoppelt ist, und wobei der Aktuator im Bereich des Endes der Volute mit großem Querschnitt angeordnet ist.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, können der Hauptkörper und der Stutzen ein integrales Bauteil bilden. In einer alternativen Ausgestaltung können der Hauptkörper und der Stutzen zwei separate Bauteile sein. In diesen Ausgestaltungen kann die Kartusche in axialer Richtung zwischen dem Hauptköper und dem Stutzen eingeklemmt sein. Die Kartusche kann in axialer Richtung mit einer ersten Seite an eine Innenwand des Hauptkörpers und mit einer zweiten Seite, die gegenüber der ersten Seite liegt, an eine Innenfläche des Stutzens angrenzen. Dabei kann eine Außenfläche der Scheibe an die Innenwand des Hauptkörpers angrenzen. Die Scheibe kann in radialer Richtung nach außen von dem Hauptkörper umgeben sein und/oder in radialer Richtung nach innen einen inneren axialen Vorsprung des Hauptkörpers umgeben. Die Innenwand kann eine Aussparung aufweisen, wobei die Scheibe in der Aussparung angeordnet ist.
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In Ausgestaltungen, in denen der Hauptkörper und der Stutzen zwei separate Bauteile bilden, kann in radialer Richtung zwischen dem Stutzen und dem Hauptkörper eine zweite Dichtung angeordnet sein, insbesondere kann die zweite Dichtung mindestens einen O-Ring aufweisen. Der Stutzen kann eine zylindrische Form aufweisen, wobei eine zentrale, axiale Öffnung vorgesehen sein kann, die die Gasauslassöffnung des Turbinengehäuses bildet. Der Stutzen kann außerdem einen Kragen aufweisen, wobei eine radiale Oberfläche des Kragens, die in Richtung des Hauptkörpers zeigt, an eine radiale Außenfläche des Hauptkörpers angrenzt. Der Stutzen kann mit dem Hauptkörper beispielsweise über eine Schweißverbindung und/oder über eine Schraubverbindung verbunden sein.
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In Ausgestaltungen, die mit allen bisher beschriebenen Ausgestaltungen beider Ausführungsformen kombinierbar sind, kann das Turbinengehäuse aus Aluminium gefertigt ist.
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Außerdem umfasst die Erfindung ein Luftzuführsystem für einen Motor, insbesondere einen Brennstoffzellenmotor, mit einer Turbinenanordnung gemäß irgendeiner der oben beschriebenen Ausgestaltung der beiden Ausführungsformen. Ein derartiges Luftzuführsystem kann außerdem ein Lagergehäuse zur Lagerung einer Welle, ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads und eine Welle mit darauf angeordneten Verdichterrad und Turbinenrad umfassen. Im Bereich des Lagergehäuses kann ein Elektromotor angeordnet sein, wobei der Rotor des Elektromotors auf der Welle befestigt ist.
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Die Erfindung umfasst außerdem einen Brennstoffzellenmotor mit einer Ausgestaltung des vorangehend beschriebenen Luftzuführsystems.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine Teil-Schnittansicht der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1;
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3 zeigt eine Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Folgenden wird anhand der Figuren ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Turbinenanordnung für Luftzuführsysteme beschrieben.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Turbinenanordnung 10 in einer perspektivischen Ansicht. Die Turbinenanordnung 10 kann insbesondere für Luftzuführsysteme wie zum Beispiel Abgasturbolader mit Elektromotorunterstützung für Verbrennungsmotoren (eTurbo) oder für Brennstoffzellenmotoren verwendet werden. Die Turbinenanordnung 10 umfasst ein Turbinengehäuse 100 zur Aufnahme eines Turbinenrads (in den Figuren nicht dargestellt), wobei das Turbinengehäuse 100 einen Hauptkörper 110, der eine Volute definiert, und einen Stutzen 120 aufweist. In dem, in den Figuren dargestellten, Beispiel der Erfindung sind die beiden Komponenten Hauptkörper 110 und Stutzen 120 als zwei separate Bauteile ausgestaltet. Dies ist besonders gut in der Explosionsansicht der 3 zu erkennen. In alternativen Ausgestaltungen kann das Turbinengehäuse 100, also der Hautkörper 110 und der Stutzen 120, auch als ein integrales Bauteil ausgestaltet sein.
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Zwischen dem Hauptkörper 110 und dem Stutzen 120 ist eine Kartusche 200 einer variablen Turbinengeometrie (VTG) angeordnet. Wie in 2 zu sehen ist, weist die Kartusche 200 der variablen Turbinengeometrie, die im Turbinengehäuse 100 angeordnet ist, eine Scheibe 210 und einen Schaufellagerring 220 auf. Zwischen der Scheibe 210 und dem Schaufellagerring 220 sind die verstellbaren Schaufeln angeordnet. Der Stutzen hat eine zylindrische Form, wobei eine zentrale, axiale Öffnung 130 in dem Stutzen 120 vorgesehen ist, die die Gasauslassöffnung des Turbinengehäuses 100 bildet (siehe z. B. 3). Der Schaufellagerring 220 ist näher an der Gasauslassöffnung 130 des Turbinengehäuses 100 angeordnet als die Scheibe 210. Das heißt, die VTG-Kartusche ist gegenüber bekannten Anwendungen, bei denen der Schaufellagerring (und der dazugehörige Verstellmechanismus) meist angrenzend an oder in einem benachbarten Lagergehäuse positioniert ist, um 180° gedreht angeordnet.
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In 2 ist zu erkennen, dass der Schaufellagerring 220 in radialer Richtung nach außen von dem Hauptkörper 110 umgeben wird und in radialer Richtung nach innen einen axialen Vorsprung 124 des Stutzens 120 umgibt.
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1 und 3 zeigen die Stelleinheit 300 für die Kartusche 200. Die Stelleinheit 300 umfasst einen Aktuator 310, der außen an dem Hauptkörper 110 angeordnet ist. Wie in den Figuren zu sehen, ist die Stelleinheit 300 bzw. deren Aktuator 310 im Bereich der Volute befestigt. Die Stelleinheit 300 ist räumlich derart angeordnet, dass sie in der Nähe des Bereichs des Endes der Volute mit kleinem Querschnitt mit der Kartusche 200 gekoppelt ist. Der Aktuator 310 der Stelleinheit 300 ist im Bereich des Endes der Volute mit großem Querschnitt angeordnet.
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Die Stelleinheit 300 des gezeigten Ausführungsbeispiels ist über ein Bindeglied 320 an dem Hauptkörper 110 befestigt. Das Bindeglied 320 kann zum Beispiel an der Außenwand des Turbinengehäuses 100 angeschweißt und die Stelleinheit 300 bzw. deren Aktuator 310 an dem Bindeglied 320 festgeschraubt sein (siehe 1 und 3). Alternativ kann der Aktuator 310 auch über eine Niet-, Bolzen-, Steck- oder Schweißverbindung an dem Bindeglied 320 befestigt sein.
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Dadurch, dass die Stelleinheit 300 direkt an dem Turbinengehäuse 100 angebracht ist, stellt die Turbinenanordnung 100 eine autonome Einheit dar, die das Turbinengehäuse 100 und die VTG-Kartusche 200 inklusive Stelleinheit 300 umfasst. Eine derartige autonome Einheit hat den Vorteil, dass sie in einer frei wählbaren Ausrichtung an einem Luftzuführsystem angeordnet werden kann. Das heißt, die Turbinenanordnung 10 kann in jeder Ausrichtung (360° Rotation) bezüglich der Achse des Luftzuführsystems mit diesem verbunden werden, da es keine festgelegten Koppelpunkte gibt, z. B. zwischen einer Stelleinheit, die am Lagergehäuse befestigt ist, und einer Aussparung am Turbinengehäuse für das Koppeln der Stelleinheit mit der VTG-Kartusche. Die Variabilität der Anordnung bringt erhebliche Vorteile für die Bauraumausnutzung und die Montage mit sich.
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Dass die VTG-Kartusche und die Stelleinheit in bzw. an der Turbinenanordnung untergebracht sind, bringt außerdem den Vorteil, dass weitere Komponenten des Luftzuführsystems (Welle sowie Lagergehäuse bei herkömmlichen Abgasturboladern bzw. Elektromotorkomponenten/Gehäuse bei Brennstoffzellenanwendung und Turboladern mit Elektromotorunterstützung (eTurbo)) kleiner ausgestaltet werden können. Das heißt, die Welle bzw. der Rotor können kleiner, insbesondere kürzer gestaltet werden. Dies hat den Vorteil einer Größenreduktion und einer Gewichtsersparnis für die einzelnen Bauteile sowie für das Luftzuführsystem als Ganzes. Die kleinere und leichtere Welle bzw. der kleinere und leichtere Rotor bringen außerdem rotationsdynamische Vorteile mit sich. Durch die geringeren Massen und Trägheiten wird es ermöglicht, höhere Drehzahlen im Vergleich zu bisher bekannten Luftzuführsystemen mit variabler Turbinengeometrie, insbesondere für Brennstoffzellen, zu realisieren. Zusätzlich bringen die Gewichts- und Größenreduktionen Materialeinsparungen und somit Kostenvorteile mit sich.
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Wieder Bezug nehmend auf 3, wird die Verbindung von Kartusche 200 und Stelleinheit 300 näher beschrieben. Der Stutzen 120 weist einen axialen Durchgang 126 auf, um eine Verbindung zwischen der Stelleinheit 300 und der Kartusche 200 zu ermöglichen. Die Stelleinheit 300 umfasst eine Koppeleinheit 330 (siehe 2), die an einem ersten Ende mit dem Aktuator 310 und an einem zweiten Ende mit der Kartusche 200 gekoppelt ist. Die Koppeleinheit 330 erstreckt sich durch den Durchgang 126 hindurch. Die Koppeleinheit 330 selbst umfasst eine Stellstange 332 und einen Hebel 334, die drehbar zueinander miteinander verbunden sind. Ein sich axial erstreckendes Element 335 des Hebels 334 ist dabei in dem Durchgang 126 angeordnet. Insbesondere kann zwischen dem Durchgang 126 und dem sich axial erstreckenden Element 335 des Hebels 334 eine Hülse 336 angeordnet sein (siehe 2). Außerdem ist zwischen dem sich axial erstreckenden Element 335 des Hebels 334 und der Hülse 336 (alternativ oder zusätzlich auch zwischen der Hülse 336 und einer Wand des Durchgangs 126 bzw. dem Element 335 und der Wand, falls keine Hülse 336 vorgesehen ist) eine erste Dichtung angeordnet. Diese Dichtung kann zum Beispiel mindestens einen O-Ring umfassen, insbesondere, wie in 2 zu gezeigt, zwei O-Ringe.
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Am Umfang des Stutzens 120 ist eine Aussparung 128 vorgesehen (siehe z. B. 3). Teile der Stelleinheit 300, genauer gesagt Teile der Koppeleinheit 330, sind im Bereich der Aussparung 128 angeordnet. Der Durchgang 126 durch den Stutzen 120 mündet im Bereich der Aussparung 128. Die Aussparung dient dazu, die Koppeleinheit 330 platzsparend anordnen zu können und die Betätigung der VTG zu ermöglichen.
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Wie in 2 zu sehen, und auch aus 3 zu entnehmen ist, ist die Kartusche 200 in axialer Richtung zwischen dem Hauptköper 110 und dem Stutzen 120 angeordnet und kann zwischen diesen eingeklemmt werden. Zusätzliche Befestigungsvorrichtungen können auf diese Weise eingespart werden. Außerdem ist eine gesonderte Zentrierung bei dieser Ausführung nicht mehr unbedingt notwendig. Wie insbesondere in 2 zu erkennen ist, grenzt die Kartusche 200 in axialer Richtung (Hauptachse/Längsachse des Turbinengehäuses 10 bzw. Rotationsachse des Turbinenrads) mit einer ersten Seite 202 an eine Innenwand 112 des Hauptkörpers 110 und mit einer zweiten Seite 204, die gegenüber der ersten Seite 202 liegt, an eine Innenfläche 122 des Stutzens 120 an. Insbesondere im Bereich der zweiten Seite 204 muss die Kartusche 200 die Innenfläche 122 des Stutzens 120 nicht zwangsweise berühren. Sie kann diese über den gesamten Umfang des Stutzens 120 berühren, teilweise oder gar nicht. In dem Ausführungsbeispiel der 2 ist zum Beispiel zumindest im Bereich des Schnitts durch die Turbinenanordnung 10 ein Spalt zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen (zweite Seite 204 der Kartusche und Innenfläche 122 des Stutzens 120) zu sehen. Auf der gegenüberliegenden Seite grenzt die Außenfläche der Scheibe 210 direkt an die Innenwand (112) des Hauptkörpers 110 an und ist mit dieser zumindest teilweise in Kontakt. In radialer Richtung ist die Scheibe 210 nach außen von dem Hauptkörper 110 umgeben. In radialer Richtung nach innen umgibt die Scheibe 210 einen inneren axialen Vorsprung des Hauptkörpers 110 (siehe 2). Anders ausgedrückt, die Innenwand 112 des Hauptkörpers weist im Bereich der Kartusche 200 eine Aussparung 114 auf, wobei die Scheibe 210 in der Aussparung 114 angeordnet ist.
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In radialer Richtung zwischen dem Stutzen 120 und dem Hauptkörper 110 ist eine zweite Dichtung angeordnet. Diese zweite Dichtung weist insbesondere mindestens einen O-Ring auf, bevorzugt zwei O-Ringe, wie in 2 gezeigt. Der Stutzen 120 hat außerdem einen ringsum verlaufenden Kragen 132 (ausgenommen im Bereich der Aussparung 128), wobei eine radiale Oberfläche 133 des Kragens 132, die in Richtung des Hauptkörpers 110 zeigt, an eine radiale Außenfläche 114 (siehe 3) des Hauptkörpers 110 angrenzt. In dem Ausführungsbeispiel der Figuren, siehe insbesondere 1, liegen diese beiden Flächen (Oberfläche 122 und Außenfläche 114) im zusammengebauten Zustand aufeinander, wodurch das Turbinengehäuse 100 (außer der Gasauslassöffnung 130) verschlossen wird. Der Stutzen 130 hat somit auch die Funktion eines Deckels für den Hauptkörper 110, um gemeinsam das Turbinengehäuse 100 zu bilden. Wie in 3 dargestellt, kann der Stutzen 120 mit dem Hauptkörper 110 über eine Schraubverbindung verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich zur Schraubverbindung kann auch eine Schweißverbindung vorgesehen sein. Zur Abdichtung des Turbinengehäuse-Innenraums sind Dichtungen in Form von O-Ringen gezeigt. Jegliche andere bekannte Art an Dichtung (Position der Dichtung, Material und Aufbau der Dichtung), die den Turbinengehäuse-Innenraum im Bereich der Verbindung zwischen Stutzen 120 und Hauptkörper 110 ausreichend abdichtet, kann alternativ oder zusätzlich zu den gezeigten O-Ringen verwendet werden.
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Insbesondere für die Anwendung im Bereich der Brennstoffzellenmotoren ist vorgesehen, dass das Turbinengehäuse 100 teilweise oder vollständig aus Aluminium gefertigt ist.
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Neben den bisher in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Details zu beispielhaften Ausführungsformen der Turbinenanordnung 10, umfasst die Erfindung auch ein Luftzuführsystem für einen Motor, insbesondere einen Brennstoffzellenmotor, mit einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung 10. Die Luftzuführeinrichtung weist ein Lagergehäuse zur Lagerung einer Welle, ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads und eine Welle mit darauf angeordnetem Verdichterrad und Turbinenrad auf. Für die Anwendung in eTurbos oder in elektromotorunterstützten Turboladern für Brennstoffzellenmotoren ist im Bereich des Lagergehäuses ein Elektromotor angeordnet, wobei der Rotor des Elektromotors auf der Welle befestigt ist.
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Die Erfindung umfasst außerdem einen Brennstoffzellenmotor mit einem Luftzuführsystem, das eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung aufweist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung oben beschrieben wurde und in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, sollte verstanden werden, dass die Erfindung alternativ auch entsprechend der folgenden Ausführungsformen definiert werden kann:
- 1. Turbinenanordnung (10) für Luftzuführsysteme mit
einem Turbinengehäuse (100) zur Aufnahme eines Turbinenrads, wobei das Turbinengehäuse (100) einen Hauptkörper (110), der eine Volute definiert, und einen Stutzen (120) aufweist; und
einer Kartusche (200) einer variablen Turbinengeometrie, wobei die Kartusche (200) zwischen dem Hauptkörper (110) und dem Stutzen (120) angeordnet ist.
- 2. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (200) eine Scheibe (210) und einen Schaufellagerring (220) aufweist, wobei der Schaufellagerring (220) näher an einer Gasauslassöffnung (130) des Turbinengehäuses (100) angeordnet ist als die Scheibe (210).
- 3. Turbinenanordnung (10) für Luftzuführsysteme mit
einem Turbinengehäuse (100) zur Aufnahme eines Turbinenrads, wobei das Turbinengehäuse (100) einen Hauptkörper (110) aufweist, der eine Volute definiert; und
einer Kartusche (200) einer variablen Turbinengeometrie, die im Turbinengehäuse (100) angeordnet ist, wobei die Kartusche (200) eine Scheibe (210) und einen Schaufellagerring (220) aufweist, wobei der Schaufellagerring (220) näher an einer Gasauslassöffnung (130) des Turbinengehäuses (100) angeordnet ist als die Scheibe (210).
- 4. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (100) außerdem einen Stutzen (120) aufweist, der die Gasauslassöffnung (130) definiert.
- 5. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 2 oder Ausführungsform 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufellagerring (220) in radialer Richtung nach außen von dem Hauptkörper (110) umgeben ist und in radialer Richtung nach innen einen axialen Vorsprung (124) des Stutzens (120) umgibt.
- 6. Turbinenanordnung nach irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenanordnung außerdem eine Stelleinheit (300) für die Kartusche (200) aufweist, wobei die Stelleinheit (300) einen Aktuator (310) umfasst, der außen an dem Hauptkörper (110) angeordnet ist, insbesondere über ein Bindeglied (320) an dem Hauptkörper (110) befestigt ist.
- 7. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (120) einen axialen Durchgang (126) aufweist, und wobei die Stelleinheit (300) eine Koppeleinheit (330) aufweist, die an einem ersten Ende mit dem Aktuator (310) gekoppelt ist und an einem zweiten Ende mit der Kartusche (200) gekoppelt ist, wobei sich die Koppeleinheit (330) durch den Durchgang (126) hindurch erstreckt.
- 8. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinheit (330) eine Stellstange (332) und einen Hebel (334) aufweist, die drehbar zueinander gekoppelt sind, wobei ein sich axial erstreckendes Element (335) des Hebels (334) in dem Durchgang (126) angeordnet ist.
- 9. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Durchgang (126) und dem sich axial erstreckenden Element (335) des Hebels (334) eine Hülse (336) angeordnet ist.
- 10. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 8 oder Ausführungsform 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem sich axial erstreckenden Element (335) des Hebels (334) und einer Wand des Durchgangs (126) und/oder der Hülse (336) eine erste Dichtung angeordnet ist, insbesondere wobei die erste Dichtung mindestens einen O-Ring umfasst.
- 11. Turbinenanordnung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Stutzens (120) eine Aussparung (128) vorgesehen ist, wobei Teile der Stelleinheit (300), insbesondere Teile der Koppeleinheit (330), in der Aussparung (128) angeordnet sind, insbesondere wobei der Durchgang (126) im Bereich der Aussparung (128) mündet.
- 12. Turbinenanordnung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit (300) räumlich derart angeordnet ist, dass die Stelleinheit (300) im Bereich des Endes der Volute mit kleinem Querschnitt mit der Kartusche (200) gekoppelt ist, und wobei der Aktuator (310) im Bereich des Endes der Volute mit großem Querschnitt angeordnet ist.
- 13. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 1, 2 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (100) und der Stutzen (120) ein integrales Bauteil bilden.
- 14. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 1, 2 und 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (100) und der Stutzen (120) zwei separate Bauteile sind.
- 15. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (200) in axialer Richtung zwischen dem Hauptköper (110) und dem Stutzen (120) eingeklemmt ist.
- 16. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 14 oder Ausführungsform 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (200) in axialer Richtung mit einer ersten Seite (202) an eine Innenwand (112) des Hauptkörpers (110) und mit einer zweiten Seite (204), die gegenüber der ersten Seite (202) liegt, an eine Innenfläche (122) des Stutzens (120) angrenzt.
- 17. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenfläche der Scheibe (210) an die Innenwand (112) des Hauptkörpers (110) angrenzt.
- 18. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (210) in radialer Richtung nach außen von dem Hauptkörper (110) umgeben ist und/oder in radialer Richtung nach innen einen inneren axialen Vorsprung des Hauptkörpers (110) umgibt.
- 19. Turbinenanordnung nach Ausführungsform 16 oder Ausführungsform 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (112) eine Aussparung (114) aufweist, wobei die Scheibe (210) in der Aussparung (114) angeordnet ist.
- 20. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung zwischen dem Stutzen (120) und dem Hauptkörper (110) eine zweite Dichtung angeordnet ist, insbesondere wobei die zweite Dichtung mindestens einen O-Ring aufweist.
- 21. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (120) eine zylindrische Form aufweist, wobei eine zentrale, axiale Öffnung (130) vorgesehen ist, die die Gasauslassöffnung des Turbinengehäuses (100) bildet.
- 22. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (120) einen Kragen (132) aufweist, wobei eine radiale Oberfläche (133) des Kragens (132), die in Richtung des Hauptkörpers (110) zeigt, an eine radiale Außenfläche (114) des Hauptkörpers (110) angrenzt.
- 23. Turbinenanordnung nach irgendeiner der Ausführungsformen 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (120) mit dem Hauptkörper (110) über eine Schweißverbindung und/oder über eine Schraubverbindung verbunden ist.
- 24. Turbinenanordnung nach irgendeiner der vorangehenden Ausführungsformen, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (100) aus Aluminium gefertigt ist.
- 25. Luftzuführsystem für einen Motor, insbesondere einen Brennstoffzellenmotor, mit einer Turbinenanordnung gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 24.
- 26. Luftzuführsystem nach Ausführungsform 25, außerdem umfassend ein Lagergehäuse zur Lagerung einer Welle, ein Verdichtergehäuse zur Aufnahme eines Verdichterrads und eine Welle mit darauf angeordnetem Verdichterrad und Turbinenrad.
- 27. Luftzuführsystem nach Ausführungsform 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Lagergehäuses ein Elektromotor angeordnet ist, wobei der Rotor des Elektromotors auf der Welle befestigt ist.
- 28. Brennstoffzellenmotor mit einem Luftzuführsystem gemäß irgendeiner der Ausführungsformen 25 bis 27.
