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Die Erfindung betrifft eine Turbinenanordnung zur Regelung eines Gasstroms, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder für einen Verbrennungsmotor, und darüber hinaus eine Aufladevorrichtung mit einer derartigen Turbinenanordnung.
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Im Zuge der Anpassung an zukünftige Abgasvorschriften sowie dem generellen Wunsch nach geringeren CO2-Emissionen sind Fahrzeuge nötig, die während des Betriebs keine Emissionen erzeugen. Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge wirken sich positiv auf die CO2-Bilanz der Automobilhersteller aus. Da die Reichweite batteriebetriebener Elektrofahrzeuge begrenzt und ein signifikanter Durchbruch in der Batterietechnologie zur Erhöhung der Reichweite schwierig ist, können Fahrzeuge mit Brennstoffzellen einen Weg zum emissionsfreien Fahren mit akzeptablen Reichweiten darstellen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellen an sich bekannt. Brennstoffzellen oder üblicherweise Brennstoffzellen-Systeme mit mehreren Einzelzellen ermöglichen eine emissionsfreie Abgabe elektrischer Leistung durch die Zusammenführung von Sauerstoff der Luft und Wasserstoff. Derartige Zellen umfassen eine Anode und eine Kathode mit einer dazwischen liegenden Membran. Die Zuführung von Luft erfolgt üblicherweise mittels eines Verdichters, der elektrisch angetrieben sein kann. Die Luftversorgung von Brennstoffzellen ist Gegenstand umfangreicher Entwicklungsarbeit. Ein Überblick eines Brennstoffzellen-Systems zum Einsatz in Fahrzeugen wird beispielsweise in der Veröffentlichung: „D. Metz et al., Luftversorgung für Brennstoffzellen, BorgWarner Knowledge Library, 2014“, gegeben. Dort wird auch die Verwendung eines an der Seite des Verdichters angeordneten Elektromotors erläutert.
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In der
DE 10 2012 007 377 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle beschrieben, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, mit einer Zuluftleitung für eine Luftströmung zu dem Kathodenraum und mit einer Abluftleitung für eine Luftströmung aus dem Kathodenraum, wobei in der Zuluftleitung eine Luftfördereinrichtung angeordnet ist. Im Bereich der Luftströmung zu und/oder von dem Kathodenraum ist eine Pulsationseinrichtung angeordnet ist, durch welche Druck, Geschwindigkeit und/oder Volumenstrom der Luftströmung pulsierend veränderbar sind.
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Aus der
EP 3 142 177 A1 ist eine Brennstoffzellenregelung unter Verwendung von Verlustrückgewinnungssystemen bekannt, bei der das Regeln des Gegendrucks oder der Luftfeuchtigkeit der Brennstoffzelle in Verbindung mit einer Durchflussregelungsanordnung, die die aus der Regelung resultierende Energie zurückgewinnt, dargestellt wird. Eine mit einem Generator gekoppelte Turbine wird als Durchflussregelungsanordnung gezeigt. Ein Fahrzeugsystem beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel, ein Durchflussregelventil zum Regeln eines aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Fluidstroms und eine Durchflussregelvorrichtung parallel zum Durchflussregelventil, um elektrische Energie als Reaktion auf einen Bypass-Abschnitt des Fluidstroms zu erzeugen, der das Durchflussregelventil basierend auf einer Ausrichtung des Durchflussregelventils in Bezug auf den Fluidstrom umgeht.
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Des Weiteren ist es aus dieser Schrift bekannt, eine optimale Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, um die Brennstoffzelle am effizientesten zu betreiben, und den aktuellen Feuchtemesswert mit diesem Sollfeuchtigkeitswert vergleichen. Demnach kann bei einer Brennstoffzelle ein Gegendruck am Ausgang reduziert werden, was einen weniger eingeschränkten Auslassstrom an der Kathode ermöglicht, der in der Lage ist, die Luftfeuchtigkeit an einer Kathode zu verringern. Ebenso kann der Gegendruck erhöht werden, was wiederum den Auslassstrom an der Kathode einschränkt, um die Erhöhung der Luftfeuchtigkeit der Kathode zu erleichtern.
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Aus der
DE 10 2014 008 931 A1 ist es bekannt, dass der Abgasturbolader nicht mehr einen über dem Soll-Saugrohrdruck liegenden Ladedruck generiert, sondern durch die Entnahme der überschüssigen Energie durch die elektrische Maschine den zum Lastverhältnis des Verbrennungsmotors passenden Ladedruck. Dadurch kann die Drosselklappe vollständig im Teillastbetrieb geöffnet werden und der Verbrennungsmotor arbeitet beinahe ohne Drosselverluste im Ansaugsystem. Eine intelligente Regelung der Entnahme und Zuführung der Energie wird über eine Regeleinheit und entsprechenden Algorithmen geregelt. Durch eine zusätzliche gezielte Regelung einer Wastegate-Stellung kann die zu entnehmende Energiehöhe aktiv beeinflusst werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik haben sie der oder die Erfinder die Aufgabe gestellt, während des Betriebs eine weitere Verbesserung der Regelung eines Gasstroms für eine Brennstoffzelle oder für einen Verbrennungsmotor mit reduziertem Bauteileaufwand zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Turbinenanordnung zur Regelung eines Gasstroms, insbesondere für eine Brennstoffzelle oder für einen Verbrennungsmotor, angegeben, bei der der von einem Einlass zugeführte Gasstrom regelbar ist, indem eine verstellbare Schieberhülse eine Eintrittsöffnung zu einem in einem Turbinengehäuse angeordneten Turbinenrad zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffnete Stellung überdeckt, so dass in der geschlossenen Stellung der Gasstrom gedrosselt ist und in der zumindest teilweise geöffneten Stellung ein regelbarer Anteil des Gasstroms das auf einer Welle eines als Generator fungierenden Elektromotors angeordnete Turbinenrad zur Rekuperation von Energie antreibt, wobei die Schieberhülse oberhalb eines vorbestimmten Wertes des Gasstroms eine Wandöffnung im Turbinengehäuse freigibt, so dass ein Bypass-Kanal entsteht, um Gasstrom am Turbinenrad vorbei direkt zu einer Austrittsöffnung zu führen.
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Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung stellt eine sehr kompakte Baueinheit dar, bei der die ansonsten üblichen Drosseln zusätzlich mit einer elektrischen Rekuperationsfunktion über Veränderung des Strömungsquerschnitts vor dem Turbinenrad kombiniert werden. Des Weiteren ist es möglich, eine indirekte Rekuperation von Abgasenergie über den Luftpfad zu schaffen, indem eine Expansion auf den Zielsaugrohrdruck mittels der Turbinenanordnung erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung verwendet dabei die relativ zum Turbinengehäuse veränderbare Schieberhülse, die lageveränderlich geführt wird, so dass die Wandöffnung am Turbinengehäuse auf die gewünschte Größe verändert werden kann. Die Wandöffnung stellt dabei einen veränderlichen Querschnitt des Bypass-Kanals dar, wobei bei vollständig geschlossener Wandöffnung der Abgasstrom vollständig geblockt ist und nicht durch das Turbinenrad zur Austrittsöffnung geführt wird. Durch graduelles Öffnen der Wandöffnung, d. h. Verstellen der Schieberhülse relativ zur Wandöffnung, erfolgt nun eine zunehmende Vergrößerung des Querschnitts der Wandöffnung, so dass ein größerer Teil des Abgasstroms zur Austrittsöffnung gelangt. Ab einer vorbestimmten Schwelle wird der Gasstrom über den Bypass-Kanal zur Austrittsöffnung geführt, ohne vorher das Turbinenrad anzutreiben.
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Das Turbinenrad ist auf der Welle des Elektromotors angeordnet, wobei die Ausgestaltung des Elektromotors selbst nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Vorzugsweise wird der Elektromotor als bürstenloser Gleichstrommotor bereitgestellt werden, der entsprechende Gehäusekomponenten, wie Motorgehäuse, Rückwand und Aufnahmeraum umfasst, so dass entsprechende Abdichtungen bzw. Druckausgleiche möglich sind. Ein derartiger Elektromotor ist beispielsweise in der
EP 2 952 748 B1 der gleichen Anmelderin beschrieben worden. Mit geringfügigen Modifikationen lässt sich der dort beschriebene Elektromotor auch in die Turbinenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Gasstrom der Abgasstrom einer Brennstoffzelle.
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Demnach kann der Strömungsquerschnitt und dabei, wie bereits eingangs beschrieben, auch der Gegendruck in einer Brennstoffzelle bei sich verändernden Lastverhältnissen gezielt über die Turbinenanordnung verändert werden, ohne dabei eine Drosselklappe oder dergleichen bereitstellen zu müssen, da die Verengung am Auslass der Brennstoffzelle mittels der verstellbaren Außenhülle erfolgt, wobei die Außenhülle den Abgasstrom sowohl auf ein Turbinenrad als auch am Turbinenrad vorbei direkt über einen Bypass-Kanal zur Austrittsöffnung lenken kann. Durch die kontinuierliche Veränderung der Außenhülse ist es möglich, den Strömungsquerschnitt über einen großen Bereich zu variieren, so dass neben der gewünschten Anpassung des Gegendrucks im Inneren der Brennstoffzelle auch eine Rekuperation von Energie des Abgasstroms erreicht werden kann, indem dieser über das Turbinenrad den Elektromotor antreibt, so dass elektrische Energie aus dem Abgasstrom zurückgewonnen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gasstrom der Frischluftstrom auf der Saugseite eines Verbrennungsmotors.
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Die erfindungsgemäße Turbinenanordnung ist auch bei der Verwendung in einem Verbrennungsmotor vorteilhaft, um im Einlassbereich den Frischluftstrom entsprechend zu regeln. Erfindungsgemäß wird der Turbinenanordnung am Einlass Frischluft zugeführt, so dass der über den Auslass dem Lufteinlass zugeführte Gasstrom mittels der Turbinenanordnung regelbar ist. Die Turbinenanordnung regelt daher im Falle eines Verbrennungsmotors den Gasstrom der Frischluft auf der Saugseite, wobei auch hier auf die Drosselklappe verzichtet werden kann und Energierückgewinnung aus dem Luftstrom erfolgen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Verstellung der Schieberhülse mittels einer axialen Verschiebung oder mittels einer Verdrehung um eine Längsachse relativ zur Wandöffnung.
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Der Teil des Gasstroms, der durch die Turbine geführt wird, läuft somit auf der Innenseite, während der Teil des Gasstroms, der am Turbinenrad vorbeigeführt wird, durch das Turbinengehäuse durch die Wandöffnung hindurch zur Austrittsöffnung geführt wird. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass am Turbinengehäuse auch mehrere und insbesondere gleichförmig über den Umfang verteilte Wandöffnungen vorgesehen sind. Üblicherweise werden die Wandöffnungen dabei mit in axialer Richtung veränderlichem Querschnitt bereitgestellt, so dass sich beispielsweise ein dreieckförmiger Verlauf ergibt, was zu einer genaueren Einstellbarkeit des durch den Bypass-Kanal geleiteten Teils des Gasstroms führt. Das Einstellen kann dabei durch ein axiales Verschieben oder Verdrehen der Schieberhülse erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgibt die Eintrittsöffnung ringförmig eine Vielzahl von Leitschaufeln, die eine Anpassung eines Strömungsquerschnittes von dem Auslass zum Turbinenrad ermöglichen.
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Eine derartige Ausgestaltung ist beispielsweise bei Abgasturboladern von Brennkraftmaschinen bekannt, wobei die Leitschaufeln für eine Verbesserung des Anströmverhaltens des Turbinenrads sorgen. Hierbei wird die Ausgestaltung der Leitschaufeln entsprechend gewählt, wobei neben einer flügelförmigen Ausgestaltung auch eine Form der Leitschaufeln gewählt sein kann, die sich über den Umfang in axialer Richtung verkleinert bzw. verkürzt. Ebenfalls kann ein größer Anbindungsradius gewählt werden, um im weit geschlossenen Bereich eine möglichst gute und verlustarme Strömungsführung zu erreichen, indem eine Anpassung von einem eckigen zu einem rundem Strömungsquerschnitt vorgenommen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Vielzahl der Leitschaufeln in der Rückwand bzw. dem Motorgehäuse integriert oder über eine Einlegeplatte befestigt.
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Zwar werden üblicherweise die Leitschaufeln nicht als separater Einleger ausgeführt, sondern in der Rückwand bzw. dem Motorgehäuse integriert sein, die Erfindung lässt sich aber auch bei einer zweiteiligen Anordnung anwenden. Dabei können die Leitschaufeln über eine Einlegeplatte an der Rückwand bzw. dem Motorgehäuse befestigt sein, wobei es insbesondere vorgesehen ist, die Einlegeplatte direkt an einer Rückwand zu befestigen, die die Turbinenanordnung von dem Motorgehäuse des Elektromotors trennt, wobei durch die Rückwand die Welle geführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schieberhülse an ihrem benachbart zur Wandöffnung liegenden ersten Rand einen Aufnahmeraum für die Vielzahl der Leitschaufeln auf, der die Vielzahl von Leitschaufeln überspannt. Der Aufnahmeraum kann als axial umlaufende Ringnut oder mit zu den Leitschaufeln komplementären Aussparungen ausgeführt sein.
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Der Aufnahmeraum, entweder als axial umlaufende Ringnut oder mit zu den Leitschaufeln komplementären Aussparungen ausgebildet, stellt somit das Gegenstück zu den Leitschaufeln dar, so dass bei vollständig geschlossener Schieberhülse die Eintrittsöffnung am Turbinengehäuse ebenfalls verschlossen wird. Bei der Variante mit Ringnut wird dabei bei vollständig geschlossener Schieberhülse im Vergleich zur Ausgestaltung mit zu den Leitschaufeln komplementären Aussparungen eine größere Restmenge des Abgasstroms durch das Turbinenrad geführt werden, der Aufbau ist jedoch einfacher.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Schieberhülse an ihrem zweiten Rand eine radial umlaufende Ringnut auf, die mit einer Verstelleinrichtung gekoppelt ist. Die Verstelleinrichtung kann dabei mit einer in die radial umlaufende Ringnut eingreifenden Verstellgabel ausgeführt sein. Demnach wird eine einfache Verstellmöglichkeit durch axiale Verlagerung der Schieberhülse geschaffen, indem diese über die Verstellgabel in Richtung der Austrittsöffnung zum vollständigen Öffnen oder in Richtung der Rückwand zum vollständigen Verschließen verlagert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Innenseite der Schieberhülse formschlüssig zum Turbinengehäuse oder einer Innenhülse ausgebildet. Dabei kann am Turbinengehäuse oder der Innenhülse ein Anschlag ausgebildet sein, der die Verstellung der Schieberhülse über einen komplementären Anschlag begrenzt.
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Dabei ist es insbesondere vorgesehen, die Innenseite der Schieberhülse formschlüssig zum Turbinengehäuse oder einer Innenhülse auszubilden, so dass in diesem Bereich die Schieberhülse über das Turbinengehäuse oder die Innenhülse gleiten kann. Hierbei können an eine oder mehrere Dichtungen an der Schieberhülse vorgesehen werden, die vorzugsweise an deren Enden für eine zusätzliche Abdichtung im Bereich der Gleitflächen sorgen. Derartige Dichtung könnten beispielsweise in Form von O-Ringen ausgeführt sein, die in dafür geeignet geformte Aussparungen an der Schieberhülse und/oder am Turbinengehäuse bzw. der Innenhülse eingesetzt werden.
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Ebenso kann es vorgesehen sein, am Turbinengehäuse oder der Innenhülse einen Anschlag auszubilden, der die Verstellung der Schieberhülse über einen komplementären Anschlag begrenzen kann.
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Auf diese Weise wird eine sichere Führung der Schieberhülse im Turbinengehäuse oder der Innenhülse ermöglicht, so dass eine zuverlässige Verstellbarkeit auch über eine längere Betriebsdauer sichergestellt werden kann.
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Des Weiteren wird eine Aufladevorrichtung angegeben, die mit einer Turbinenanordnung, wie oben beschrieben, versehen ist, wobei darüber hinaus ein oder mehrere Verdichter zur Zuführung von Luft vorgesehen sind.
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Eine Aufladevorrichtung für Brennstoffzellen kann auch mit mehrstufigen Verdichtern ohne eigene Turbine versehen sein, wobei eine derartige Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung kombiniert werden kann.
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Dabei können der oder die Verdichter mit dem auf der Welle der Turbinenanordnung angebrachten Elektromotor angetrieben werden, so dass dieser die Funktion als Generator für die Turbine bzw. Elektromotor für den Verdichter ausüben kann. Die vom Generator abgegebene elektrische Energie wird dabei an das System zurückgeführt, während die Verdichtung mittels eines von einem Elektromotor angetriebenen Verdichters bei Brennstoffzellen vorteilhaft ist, da deren Abgasenthalpie aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus üblicherweise zu gering ist, um den Verdichter allein anzutreiben.
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Eine derartige Aufladevorrichtung mit der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung kann darüber hinaus mit einer Steuerelektronik ausgeführt sein, die die Verstelleinrichtung der Turbinenanordnung oder die Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme des Elektromotors für den Verdichter regelt, so dass über die Steuereinheit eine Anpassung an die derzeitige Fahrsituation erreicht wird, wobei die Steuereinrichtung üblicherweise so ausgeführt ist, dass die Brennstoffzelle einen optimalen Wirkungsgrad aufweist.
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Des Weiteren kann die Aufladevorrichtung mit der erfindungsgemäßen Turbinenanordnung mittels des Elektromotors ein Luftmassenstrom an einem Lufteinlass und/oder das Aufstauen des Abgasstroms an dem Auslass mittels der Steuerschaltung regeln.
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Allgemein wird ein Expander beschrieben, der sowohl Rekuperieren als auch Boosten kann. Dies ist an einem Verbrennungsmotor einsetzbar, könnte aber auch an einer Brennstoffzelle zum Anfahren bzw. zur Unterstützung genutzt werden. Denkbar ist dies insbesondere mit einer Ausführung unter Verwendung eines Axialrades. Dies ist über spezielle Strömungspfade und/oder Umschaltklappen realisierbar aber auch als Axialmaschine ohne zusätzliche Umkehrung der Strömungsführung nur über Drehzahlvariation möglich, so dass sich ein einfacher und kompakter Aufbau eines derartigen Expanders ergibt.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1A schematisch ein Blockdiagramm eines Systems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung,
- 1 B schematisch ein Blockdiagramm eines Systems mit einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Turbinenanordnung,
- 2 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Turbinenanordnung,
- 3 eine Innenhülse der Turbinenanordnung gemäß 2 in einer perspektivischen Seitenansicht,
- 4A eine Schieberhülse für eine Turbinenanordnung gemäß 2 in einer Schnittansicht,
- 4B eine Schieberhülse für eine Turbinenanordnung gemäß 2 in einer Seitenansicht,
- 4C eine weitere Schieberhülse für eine Turbinenanordnung gemäß 2 in einer Seitenansicht,
- 5 eine Einlegeplatte mit Leitschaufeln für die Turbinenanordnung nach 2 in einer perspektivischen Seitenansicht, und
- 6 ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Expander.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Bezugnahme auf 1A wird zunächst ein System, umfassend eine Brennstoffzelle 2 erläutert, die mit einer Aufladevorrichtung 4 gekoppelt ist. Die Brennstoffzelle weist eine Wasserstoffzuführung 6 und eine Luftzuführung 8 auf, wobei nach einer entsprechenden Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 angefeuchtete Luft über den Auslass 9 abgegeben wird. Die Luftzuführung 8 ist mit einem Verdichter 12 verbunden, der Bestandteil der Aufladevorrichtung 4 ist. Der Verdichter 12 weist einen Lufteinlass 14 auf, der Umgebungsluft ansaugt. Der Verdichter 12 ist über eine Welle 16 mit einem Elektromotor 18 verbunden, der den Verdichter 12 entsprechend in Drehbewegung versetzen kann.
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Auf der Auslassseite ist der Auslass
9 mit einem Einlass
10 der Turbinenanordnung
20 verbunden, die ebenfalls mit einer Welle
22 eine Verbindung zum Elektromotor
18 schafft, der somit über die Turbinenanordnung
20 als Generator geschaltet elektrische Leistung abgeben kann. Der Abgasstrom verlässt die Turbinenanordnung
20 über eine Austrittsöffnung
24. Der Elektromotor
18 wird von einer Steuerelektronik
26 gesteuert bzw. geregelt, so dass dieser sowohl Energie aus einer externen Stromquelle (nicht in
1A gezeigt) aufnehmen bzw. an diese abgeben kann wie schematisch mittels der bidirektionalen Verbindung
28 in
1A angedeutet ist. Des Weiteren könnte in einer zweistufigen Variante der Aufladung auch ein weiterer Elektromotor (nicht in
1A gezeigt) einen zusätzlichen, vorgeschalteten Verdichter (nicht in
1A gezeigt) antreiben. Hierbei könnte insbesondere der eingangs beschriebene e-Booster gemäß der
EP 2 952 748 B1 Verwendung finden.
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Demnach kann der Strömungsquerschnitt und dabei auch der Gegendruck in der Brennstoffzelle 2 bei sich verändernden Lastverhältnissen gezielt über die Turbinenanordnung 20 verändert werden, ohne dabei eine Drosselklappe oder dergleichen bereitstellen zu müssen. Die Verengung am Auslass 9 der Brennstoffzelle 2 über die Turbinenanordnung 20 regelt im Falle einer Brennstoffzelle 2 den Gasstrom des Abgases und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 noch detaillierter erläutert werden.
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Die Turbinenanordnung 20 kann in anderen Ausführungsformen auch in einem Verbrennungsmotor 3 eingesetzt werden, wie unter Bezugnahme auf 1B erläutert wird. Beim Verbrennungsmotor 3 erfolgt die Anpassung an sich verändernde Lastverhältnisse auf der Einlassseite, wofür im Stand der Technik üblicherweise eine Drosselklappe verwendet wird, um den Frischluftstrom zu regeln. Erfindungsgemäß wird der Turbinenanordnung 20 am Einlass 10 Frischluft zugeführt, so dass der über den Auslass 24 dem Lufteinlass 14 zugeführte Gasstrom mittels der Turbinenanordnung 20 regelbar ist. Die Turbinenanordnung 20 regelt daher im Falle eines Verbrennungsmotors 3 den Gasstrom der Frischluft auf der Saugseite, wobei auch hier auf die Drosselklappe verzichtet werden kann. Der Frischluftstrom verlässt die Turbinenanordnung 20 über eine Austrittsöffnung 24. Die Turbinenanordnung 20 ist wiederum über die Welle 22 mit dem Elektromotor 18 gekoppelt, so dass von der Turbinenanordnung 20 angetrieben der als Generator geschaltete Elektromotor 18 elektrische Leistung abgeben kann. Der Elektromotor 18 wird von der Steuerelektronik 26 gesteuert bzw. geregelt.
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Folglich kann die Turbinenanordnung 20 sowohl den Gasstrom auf der Auslassseite im Falle der Verwendung mit einer Brennstoffzelle 2 als auch auf der Einlassseite im Falle der Verwendung mit einem Verbrennungsmotor 3 regeln, ohne dabei die Drosselklappe aus dem Stand der Technik zu verwenden und gleichzeitig Energie über den Elektromotor aus dem Gasstrom des Abgases oder Frischluft wiederzugewinnen. Einzelheiten der Turbinenanordnung 20 werden nachfolgend beschrieben. Die Erläuterungen gelten für beide Fälle, wobei Gasstrom wahlweise Abgas oder Frischluft bedeuten kann, je nach Anwendungsfall.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 die Turbinenanordnung 20 näher erläutert. In der 2 ist die Turbinenanordnung 20 in einer Querschnittsansicht gezeigt, wobei die Querschnittsebene in etwa mittig zur Welle 22 angeordnet ist.
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Die in 2 gezeigte Turbinenanordnung 20 weist ein Turbinengehäuse 30 auf, dass über eine Rückwand 32 mit einem Gehäuse 34 des Elektromotors 18 verbunden ist. Durch die Rückwand 32 ist über eine geeignete Dichtung 36 die Welle 22 geführt, die auf der Seite des Turbinengehäuses 30 ein Turbinenrad 38 aufweist. Das Turbinenrad 38 ist über eine Vielzahl von Leitschaufeln 40 mit einem Eintrittsbereich 42 verbunden ist, der sich an den in Form einer Volute ausgebildeten Einlass 10 anschließt und mit dem Einlass 10 verbunden ist. Folglich kann der Gasstrom vom Einlass 10 über den Eintrittsbereich 42 an den Leitschaufeln 40 vorbei zur Eintrittsöffnung 43 geleitet werden, sodass der Gasstrom auf das Turbinenrad 38 trifft und die Welle 22 in eine Drehbewegung versetzt, sodass der in diesem Fall als Generator geschaltete Elektromotor 18 elektrische Energie abgeben kann.
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Die Leitschaufeln 40 sind dabei an einer Einlegeplatte 44 angeordnet, die auf der Rückwand 32 befestigt ist. Die Leitschaufeln 40 können aber auch direkt an der Rückwand 32 befestigt sein. Die Rückwand 32 kann auch integraler Bestandteil des Gehäuses 34 des Elektromotors 18 sein, auf dem die Leitschaufeln 40 angeordnet sind. Eine komplementäre Anordnung der Leitschaufeln 40 an der Schieberhülse 48 ist ebenfalls möglich.
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Der von dem Einlass 10 zugeführte Gasstrom ist bei der Turbinenanordnung 20 durch eine verstellbare Schieberhülse 48 regelbar, indem diese die Eintrittsöffnung 43 zwischen einer geschlossenen Stellung und einer geöffnete Stellung überdeckt, so dass in der geschlossenen Stellung der Gasstrom gedrosselt ist und in der zumindest teilweise geöffneten Stellung ein regelbarer Anteil des Gasstroms das Turbinenrad 38 zur Rekuperation von Energie antreibt. Der Gasstrom wird über das Turbinenrad 38 zu der Austrittsöffnung 24 geführt. Folglich wird in der geschlossenen Stellung der Gasstrom vollständig gedrosselt und in der zumindest teilweise geöffneten Stellung ein regelbarer Anteil des Gasstroms das auf Turbinenrad 38 zur Rekuperation von Energie trifft. Oberhalb eines vorbestimmten Wertes des Gasstroms gibt die Schieberhülse 48 eine Wandöffnung im Turbinengehäuse 30 frei, so dass ein Bypass-Kanal entsteht, um Gasstrom am Turbinenrad 38 vorbei direkt zu einer Austrittsöffnung 24 zu führen.
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Der Außenbereich des Turbinenrads 38 wird von einer Innenhülse 46 begrenzt, die von der Schieberhülse 48 umgeben ist. Die Schieberhülse 48 ist dabei relativ zur Innenhülse 46 axial verlagerbar, wobei in 2 die Schieberhülse 48 in einer vollständig hinein geschobenen Position gezeigt ist, bei der der Gasstrom vom Einlass 10 über den Eintrittsbereich 42 zur Eintrittsöffnung 43 geblockt ist, so dass dieser nicht durch das Turbinenrad 38 zu der Austrittsöffnung 24 gelangen kann. Die Innenhülse 46 ist hier als separates Bauteil gezeigt, kann aber auch einen integralen Bestandteil des Turbinengehäuses 30 bilden. Die nachfolgenden Bemerkungen zur Ausgestaltung der Innenhülse sind daher sinngemäß auch für die Ausführung als integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 30 zu verstehen.
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In der vollständig herausgezogenen Position der Schieberhülse 48 wird ein Bypass-Kanal geöffnet, der von der Eintrittsbereich 42 über Wandöffnungen (detaillierte Erläuterung folgt unten) in der Innenhülse 46 zur Austrittsöffnung 24 führt. Dazu ist das Turbinengehäuse 30 im Bereich der Eintrittsbereich 42 mit einem sich konisch verjüngenden Wandabschnitt 52 ausgeführt, der bei maximal geöffneter Position der Schieberhülse 48 die Querschnittsöffnung des Bypass-Kanals definiert.
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Unter Bezugnahme auf 3 ist die Innenhülse 46 einzeln dargestellt. Man erkennt, dass diese ein erstes Wandsegment 60 aufweist, an das sich über den Anschlag 50 ein zweites Wandsegment 62 anschließt. Auf dem ersten. Wandsegment 60 sind mehrere Wandöffnungen 64 ausgebildet, die insbesondere auf einem der Eintrittsöffnung 43 zugewandten Innenrand 66 in Form eines Dreiecks ausgebildet sind, um eine präzisere Einstellung des Strömungsquerschnitts des Gasstroms zu ermöglichen. Das erste Wandsegment 60 umgibt auf seiner Innenseite 68 den Außenbereich des Turbinenrads 38 (siehe 2). Das zweite Wandsegment 62 ist auf seiner Innenseite 70 typischerweise konisch ausgeführt und geht in die Austrittsöffnung 24 über. Die Innenhülse 46 weist an ihrem äußeren Ende einen Endflansch 72 auf, über den die Innenhülse 46 mit dem Turbinengehäuses 30 verbunden ist.
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Wie bereits erwähnt, kann die Innenhülse 46 auch ein Bestandteil des Turbinengehäuses 30 sein, wobei die Wandöffnungen 64 im Turbinengehäuse 30 ausgebildet sind und die Schieberhülse 48 abschnittsweise formschlüssig über das Turbinengehäuse 30 geführt ist. Ebenso können Dichtungen zwischen der Schieberhülse 48 und der Innenhülse 46 beziehungsweise dem Turbinengehäuse 30 angeordnet sein.
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In 4A ist die Schieberhülse 48 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Man erkennt, dass die Schieberhülse an ihrem ersten Rand 80 mit einem Aufnahmeraum in Form einer axial umlaufenden Ringnut 82 versehen ist, die in ihren Abmessungen so ausgeführt ist, dass die in 2 dargestellten Leitschaufeln 40 überspannt werden. An ihrem zweiten Rand 84 weist die Schieberhülse 48 eine radial umlaufende Ringnut 86 auf, die mit einer Verstelleinrichtung gekoppelt ist, um die Schieberhülse 48 über die Innenhülse 46 schieben zu können. Dazu ist (siehe 2) beispielsweise eine verlagerbare Verstellgabel 88 vorgesehen, deren Gabelenden mit der radial umlaufenden Ringnut 86 in Eingriff stehen, sodass durch Verlagerung der Verstellgabel 88 die Schieberhülse 48 über die Innenhülse 46 verschoben werden kann. Auf ihrer Innenseite weist die Schieberhülse 48 einen komplementären Anschlag 50' auf, sodass die Bewegung der Schieberhülse 48 über die Innenhülse 46 oder dem Turbinengehäuse 30 nach außen hin begrenzt wird. Die Schieberhülse 48 gleitet dabei formschlüssig, insbesondere über den Bereich des ersten Wandsegments 60 der Innenhülse 46 oder dem Turbinengehäuse 30 sowie über einen zylindrischen Abschnitt vor dem Endflansch 72 am zweiten Wandsegment 62.
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4B zeigt den Aufnahmeraum in Form der axial umlaufenden Ringnut 82 nochmals in einer Draufsicht. Die Abmessungen der axial umlaufenden Ringnut 82 sind dabei so gewählt, dass die Leitschaufeln 40 von dieser überspannt werden.
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In 4C ist eine Variante der Schieberhülse 48 gezeigt, bei der der Aufnahmeraum komplementär zur Form der Leitschaufeln 40 gebildet ist, so dass ein verbesserter Abschluss mittels der Schieberhülse 48 möglich ist.
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Es sei erwähnt, dass ein komplementärer Aufbau, bei dem die Leitschaufeln 40 an der Schieberhülse 48 angeordnet sind, ebenfalls möglich wäre.
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Unter Bezugnahme auf 5 ist nachfolgend die Einlegeplatte 44 mit den Leitschaufeln 40 gezeigt. Man erkennt, dass die Vielzahl von Leitschaufeln 40 fest auf der Einlegeplatte 44 montiert sind, sodass das Durchströmen des Gasstroms durch das Turbinenrad 38 verbessert wird. Die Vielzahl von Leitschaufeln 40 können aber auch direkt in der Rückwand 32 angeordnet sein, ohne eine separate Einlegeplatte vorzusehen.
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Die in 2 gezeigte Turbinenanordnung 20 ist somit zur Rekuperation von kinetischer Energie des Gasstroms über den Einlass 10 geeignet, wobei durch das Verschieben der Schieberhülse 48 der Strömungsquerschnitt des Gasstroms gezielt angepasst werden kann, um einen entsprechenden Gegendruck im Inneren der Brennstoffzelle 2 zu erzeugen, ohne dabei auf eine Drosselklappe angewiesen zu sein. Zusammen mit dem Elektromotor 18, der ebenso zur Erzeugung einer Drehbewegung des Verdichters 12 eingesetzt werden kann, ist somit eine Einstellung eines optimalen Wirkungsgrads möglich, da die Abgabe von elektrischer Energie über die Rekuperationsfunktion sowie die Einstellung eines Ziel Saugrohrdrucks zur indirekten Rekuperation erfolgen kann. Eine Verwendung auf der Saugseite eines Verbrennungsmotors 3 ist ebenfalls vorteilhaft realisierbar.
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In 6 ist in einer Schnittansicht ein Expander 90 gezeigt, der als Gasexpansionsmaschine eine Verallgemeinerung der bisher beschriebenen Turbinenanordnung 20 darstellt. Der Expander 90 weist den bereits beschriebenen Elektromotor 18 auf, der sowohl die Welle 22 antreiben kann also auch über eine Drehbewegung der Welle 22 als Generator fungieren kann. Die Welle 22 ist mit einem Axialrad 92 verbunden. Sofern der Elektromotor 18 die Welle 22 antreibt, sorgt das Axialrad 92 für eine weitere Verdichtung eines Gasstroms. Ebenso kann jedoch auch eine Rekuperation erfolgen, indem der als Generator geschaltete Elektromotor 18 über die Welle 22 vom Axialrad 92 durch einen Gasstrom angetrieben wird. Der Expander 90 kann daher sowohl Energie aus der Gasströmung rekuperieren als auch die Gasströmung zusätzlich verdichten.
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Um die Gasströmung durch das Axialrad 92 leiten zu können, ist beispielsweise eine zylindrische Wandung 94 vorgesehen, die stromaufwärts im Bereich des Elektromotors 18 mit einer Wandöffnung 96 versehen ist, welche bezüglich ihres Öffnungsquerschnittes von der Schieberhülse 48 beeinflusst werden kann. Der durch die Wandöffnung 96 tretende Teil der Gasströmung wird am Axialrad 92 vorbeigeführt, wobei der Bypasskanal beispielsweise durch eine weitere Außenwand 98 gebildet wird, der die Wandung 94 umschließt. Zusätzlich können stromaufwärts im Bereich des Elektromotors 18 mehrere, in 6 lediglich schematisch dargestellte Vorleitschaufeln 100 angeordnet sein, die bezüglich ihrer Orientierung variabel sind, wie dies beispielsweise bei den im Bereich der Verbrennungsmotoren bekannten Turboladern mit variabler Turbinengeometrie in Form von VTG-Kartuschen oder dergleichen bereits geläufig ist.
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Lediglich schematisch ist in der 6 gezeigt, dass die Vorleitschaufeln 100 über eine Verstelleinrichtung 102 entsprechend verändert werden können. Ebenso ist eine weitere Verstelleinrichtung 104 vorgesehen, um die Schieberhülse 48 zu betätigen. Die Verstelleinrichtung 102 und die weitere Verstelleinrichtung 104 können mit geeigneten Aktuatoren gekoppelt sein. Zusammenfassend ist der Expander 90 so ausgebildet, dass ein Gasstrom 106 am Elektromotor 18 vorbei auf die Vorleitschaufeln 100 trifft und daran anschließend das Axialrad 92 durchdringt, so dass der Gasstrom abgeleitet wird, wie in 6 mittels des weiteren Gasstroms 108 angedeutet ist. Je nach Stellung der Schieberhülse 48 kann ein zusätzlicher Bypass-Strom 110 eingestellt werden, der ab einer vorbestimmten Grenze den Gasstrom 106 am Expander 90 vorbei leitet. In anderen Ausführungsformen kann auch eine weitere Anordnung von Nachleitschaufeln 100' vorgesehen sein, die zusätzlich oder anstelle der Vorleitschaufeln 100 stromabwärts vom Axialrad 92 angeordnet sind und ebenfalls über eine nicht in 6 dargestellte Verstelleinrichtung entsprechend verändert werden können.
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Der im Zusammenhang mit der 6 beschriebene Expander 90 kann insbesondere in Kombination mit einer Brennstoffzelle oder auch einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, wobei hier der Gasstrom 106 sowohl als Lufteinlass- als auch als Gasstrom Verwendung finden kann. Demnach ist es möglich, sowohl Energie zu Rekuperieren als auch eine Leistungssteigerung durchzuführen. So könnte ein derartiger Expander 90 beispielsweise in Kombination mit einer Brennstoffzelle zum Anfahren bzw. zur Unterstützung in bestimmten Fahrsituationen genutzt werden. Eine derartige Verwendung im Bereich des Lufteinlasses benötigt keine zusätzliche Umkehrung der Strömungsführung, wobei eine Regelbarkeit des Expanders 90 über die Variation der Drehzahl des Elektromotors 18 gegeben ist.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Aufladevorrichtung
- 6
- Wasserstoffzuführung
- 8
- Luftzuführung
- 9
- Auslass
- 10
- Einlass
- 12
- Verdichter
- 14
- Lufteinlass
- 16
- Welle (Turbine)
- 18
- Elektromotor
- 20
- Turbinenanordnung
- 22
- Welle (Verdichter)
- 24
- Austrittsöffnung
- 26
- Steuerelektronik
- 28
- Verbindung
- 30
- Turbinengehäuse
- 32
- Rückwand
- 34
- Gehäuse
- 36
- Dichtung
- 38
- Turbinenrad
- 40
- Leitschaufeln
- 40'
- komplementäre Aussparung
- 42
- Eintrittsbereich
- 43
- Eintrittsöffnung
- 44
- Einlegeplatte
- 46
- Innenhülse
- 48
- Schieberhülse
- 50
- Anschlag
- 50'
- komplementärer Anschlag
- 52
- Wandabschnitt
- 60
- erstes Wandsegment
- 62
- zweites Wandsegment
- 64
- Wandöffnung
- 66
- Innenrand
- 68
- Innenseite erstes Wandsegment
- 70
- Innenseite zweites Wandsegment
- 72
- Endflansch
- 80
- erster Rand
- 82
- axial umlaufende Ringnut
- 84
- zweiter Rand
- 86
- radial umlaufende Ringnut
- 88
- Verstellgabel
- 90
- Expander
- 92
- Axialrad
- 94
- Wandung
- 96
- Wandöffnung
- 98
- Außenwand
- 100
- Vorleitschaufel
- 100'
- Nachleitschaufel
- 102
- Verstelleinrichtung
- 104
- weitere Verstelleinrichtung
- 106
- Gasstrom
- 108
- weiterer Gasstrom
- 110
- Bypass-Strom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012007377 A1 [0004]
- EP 3142177 A1 [0005]
- DE 102014008931 A1 [0007]
- EP 2952748 B1 [0013, 0040]
