DE102021126261B3 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung sowie entsprechende Antriebseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1), die ein Antriebsaggregat aufweist, das strömungstechnisch an einen Verdichter (2) angeschlossen ist, der über ein in einem Verdichtergehäuse (3) drehbar gelagertes Verdichterlaufrad (4) verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Verdichtergehäuse (3) wenigstens ein Kühlmittelkanal (10, 11) vorliegt, dem zumindest zeitweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses (3) ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird, wobei das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgt und das Kühlmittel derart gewählt wird, dass das Kühlmittel während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung (1) zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses (3) verdampft. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, die ein Antriebsaggregat aufweist, das strömungstechnisch an einen Verdichter angeschlossen ist, der über ein in einem Verdichtergehäuse drehbar gelagertes Verdichterlaufrad verfügt, wobei in dem Verdichtergehäuse wenigstens ein Kühlmittelkanal vorliegt, dem zumindest zeitweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift US 9 810 129 B2 92 bekannt. Diese beschreibt ein System zur Rückgewinnung von Abwärmeenergie für einen motorunterstützten Turbolader, mit einer Turbine, einer ersten Kraftübertragungsvorrichtung, die auf einer ersten Seite mit der Turbine verbunden ist, einem Antriebszahnrad, das um die erste Kraftübertragungsvorrichtung herum angeordnet und auf einer ersten Seite mit einer zweiten Seite der ersten Kraftübertragungsvorrichtung verbunden ist, einer zweiten Kraftübertragungsvorrichtung, die auf einer ersten Seite mit einer zweiten Seite des Antriebszahnrads verbunden ist, und einem Verdichter, der mit einer zweiten Seite der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung verbunden ist. Das System umfasst ferner ein Motorgetriebe, das antriebsmäßig mit dem Antriebszahnrad verbunden ist, einen Motorgenerator, der mit dem Motorgetriebe verbunden ist, einen Abwärmerückgewinnungskreislauf mit einem Expander und einem Abtriebszahnrad, das mit dem Expander verbunden ist und antriebsmäßig mit dem Motorgetriebe verbunden ist.
  • Die Druckschrift WO 2016/ 149 728 A1 beschreibt einen mehrstufigen Abgasturbolader mit einer zumindest ein Turbinenlaufrad aufweisenden Abgasturbine und einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe mit einem ersten Verdichterlaufradabschnitt und einer zweiten Verdichterstufe mit einem zweiten Verdichterlaufradabschnitt, wobei Turbinenlaufrad und zweiter und erster Verdichterlaufradabschnitt auf einer um eine Drehachse drehbar gelagerten gemeinsamen Welle angeordnet sind, wobei die erste Verdichterstufe stromaufwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts einen axialen Verdichtereintrittsstutzen zum Anschluss an eine Frischluftleitung und stromabwärts des ersten Verdichterlaufradabschnitts zumindest zwei erste Spiralkanalanordnungen aufweist, die in zumindest zwei stromaufwärts des zweiten Verdichterlaufradabschnitts verlaufende zweite Spiralkanalordnungen der zweiten Verdichterstufe übergehen. Zur Reduzierung thermischer Belastungen ist eine zumindest zwischen den ersten Spiralkanalanordnungen verlaufende erste Kühlmittelkanalanordnung und/oder eine zwischen den zweiten Spiralkanalanordnungen verlaufende zweite Kühlmittelkanalanordnung vorgesehen.
  • Aus dem Stand der Technik sind weiterhin die Druckschriften DE 10 2019 208 540 B3 und DE 10 2019 218 355 A1 bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere ein besonders effizientes Kühlen in erster Linie des Verdichtergehäuses realisiert.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgt und das Kühlmittel derart gewählt wird, dass das Kühlmittel während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses verdampft, wobei der wenigstens eine Kühlmittelkanal an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung strömungstechnisch angeschlossen ist und in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel zumindest zeitweise umgewälzt wird, wobei das Kühlmittel wenigstens einer zu temperierenden Einrichtung zugeführt wird und dies derart erfolgt, dass das Kühlmittel die zu temperierende Einrichtung vollständig ohne Phasenwechsel durchläuft.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das Verfahren dient zum Betreiben der Antriebseinrichtung. Mithilfe der Antriebseinrichtung wird beispielsweise ein Kraftfahrzeug angetrieben, die Antriebseinrichtung ist also zum Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments vorgesehen und ausgestaltet. Die Antriebseinrichtung kann Bestandteil des Kraftfahrzeugs sein, jedoch selbstverständlich auch separat von diesem vorliegen. Zum Bereitstellen des Antriebsdrehmoments verfügt die Antriebseinrichtung über das Antriebsaggregat, welchem während seines Betriebs zumindest zeitweise Kraftstoff und Luft zugeführt wird. Der Kraftstoff reagiert in dem Antriebsaggregat mit der Luft und die hierbei anfallende Energie wird in kinetische Energie umgesetzt. Bei der Reaktion anfallendes Abgas wird aus dem Antriebsaggregat abgeführt, insbesondere in Richtung einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung.
  • Die dem Antriebsaggregat zugeführte Luft wird zur Effizienzsteigerung und/oder zur Leistungssteigerung des Antriebsaggregats mittels des Verdichters verdichtet beziehungsweise komprimiert. Mithilfe des Verdichters wird insoweit der Außenumgebung entnommene Luft von einem niedrigeren ersten Druck auf einen höheren zweiten Druck verdichtet und anschließend dem Antriebsaggregat zugeführt. Der Verdichters ist hierzu strömungstechnisch zwischen der Außenumgebung und dem Antriebsaggregat angeordnet. Der zweite Druck kann auch als Ladedruck bezeichnet werden.
  • Der Verdichter verfügt über das Verdichtergehäuse und das in dem Verdichtergehäuse drehbar gelagerte Verdichterlaufrad. Das Verdichterlaufrad wird zumindest zeitweise zum Verdichten der Luft angetrieben. Hierzu ist das Verdichterlaufrad beispielsweise antriebstechnisch an ein Turbinenlaufrad einer Turbine angeschlossen, welche zusammen mit dem Verdichter Bestandteil eines Abgasturboladers der Antriebseinrichtung ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Verdichterlaufrad auch mittels eines Elektromotors angetrieben werden. In diesem Fall liegt der Verdichter insbesondere als elektrisch unterstützter Verdichter oder als elektrisch angetriebener Verdichter vor.
  • Aufgrund des in dem Verdichter zunehmenden Drucks der Luft erhöht sich auch ihre Temperatur. Entsprechend wird Wärme von der Luft auf das Verdichtergehäuse übertragen. Es kann ausreichend sein, das Verdichtergehäuse ungekühlt auszugestalten. Da jedoch der verwendete Ladedruck in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist, ist üblicherweise eine Kühlung des Verdichtergehäuses notwendig. Hierzu ist in dem Verdichtergehäuse der wenigstens eine Kühlmittelkanal ausgebildet. Diesem Kühlmittelkanal wird zumindest zeitweise flüssiges Kühlmittel zugeführt, um das Verdichtergehäuse zu temperieren, insbesondere zu kühlen, und entsprechend Wärme von dem Verdichtergehäuse abzuführen.
  • Beispielsweise ist es vorgesehen, den wenigstens einen Kühlmittelkanal an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung anzuschließen, insbesondere an einen Niedertemperaturkühlmittelkreislauf. Aufgrund der Kühlung des Verdichtergehäuses wird gleichzeitig auch die verdichtete Luft gekühlt. Dies führt zu einer verbesserten Effizienz des Antriebsaggregats. Allerdings muss die von dem Verdichtergehäuse mittels des Kühlmittels abgeführte Wärme an die Außenumgebung abgeführt werden, was eine vergrößerte Kühlfläche, beispielsweise eines Kühlers, bedeutet. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung des Niedertemperaturkühlmittelkreislaufs, da eine Temperaturdifferenz zwischen dem in diesem verwendeten Kühlmittel und der Außenumgebung üblicherweise gering ist. Die vergrößerte Kühlfläche bedingt ein Ansteigen eines Fahrwiderstands des Kraftfahrzeugs, was wiederum zu einem Kraftstoffverbrauch und mithin einer höheren CO2-Emission führt.
  • Es wird daher nach einer Möglichkeit gesucht, zum einen das Verdichtergehäuse effektiv und effizient zu kühlen und gleichzeitig das Kühlen mit Kühlmittel vorzunehmen, welches eine möglichst hohe Temperatur aufweist, um den Wärmeübergang in die Außenumgebung zu verbessern. Hierzu soll das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgen und das Kühlmittel derart gewählt sein, dass das Kühlmittel während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung verdampft, sodass das Temperieren beziehungsweise Kühlen des Verdichtergehäuses nicht nur mittels des Wärmeübergangs von dem Verdichtergehäuse auf das Kühlmittel auf üblichem Wege erfolgt, sondern zusätzlich Wärme von dem Kühlmittel aufgenommen wird, ohne seine Temperatur deutlich zu erhöhen, nämlich während des Phasenwechsels des Kühlmittels. Das Verdampfen des Kühlmittels soll jedoch lediglich teilweise erfolgen, sodass das Kühlmittel nach dem Durchlaufen des wenigstens einen Kühlmittelkanals nur teilweise verdampft ist und teilweise noch in flüssiger Form vorliegt- Beispielsweise erfolgt das Zuführen des Kühlmittels derart, dass höchstens 50 Vol.-%, höchstens 40 Vol.-% oder höchstens 30 Vol.-% des Kühlmittels verdampft.
  • In anderen Worten wird das Kühlmittel dem wenigstens einen Kühlmittelkanal in flüssiger Form zugeführt. Während seines Durchströmens des Kühlmittelkanals erfährt das Kühlmittel den Phasenwechsel und geht entsprechend von seinem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand über. Vorzugsweise erfolgt das Zuführen des Kühlmittels derart, dass das Verdichtergehäuse möglichst rasch seine Betriebstemperatur erreicht, welche zumindest der Siedetemperatur des Kühlmittels entspricht oder größer ist als diese. Das Zuführen des Kühlmittels erfolgt nachfolgend derart, dass die Temperatur des Verdichtergehäuses während des Betriebs der Antriebseinrichtung stets zumindest der Betriebstemperatur entspricht und folglich weiterhin gleich der oder größer als die Siedetemperatur des Kühlmittels ist.
  • Der wenigstens eine Kühlmittelkanal ist einerseits an einen Einlassanschluss und andererseits an einen Auslassanschluss strömungstechnisch angeschlossen. Selbstverständlich kann das Verdichtergehäuse eine Mehrzahl an Kühlmittelkanälen aufweisen. Diese sind gemeinsam einerseits an den Einlassanschluss und andererseits an den Auslassanschluss für das Kühlmittel angeschlossen. Über den Einlassanschluss wird dem mindestens einen Kühlmittelkanal beziehungsweise den Kühlmittelkanälen das Kühlmittel zugeführt, nämlich in vollständig flüssiger Form. Über den Auslassanschluss wird das Kühlmittel dem mindestens einen Kühlmittelkanal beziehungsweise den mehreren Kühlmittelkanälen entnommen, wobei das Kühlmittel bei seinem Erreichen des Kühlmittelanschlusses zumindest zeitweise wenigstens teilweise gasförmig ist. Im Falle der mehreren Kühlmittelkanäle sind diese bevorzugt strömungstechnisch parallel zwischen dem Einlassanschlüsse und dem Auslassanschluss angeordnet.
  • Auf die beschriebene Art und Weise kann ein besonders effektives und effizientes Temperieren beziehungsweise Kühlen des Verdichtergehäuses umgesetzt werden. Gleichzeitig wird hierzu Kühlmittel verwendet, welches stromabwärts des Verdichtergehäuses, also nach dem Temperieren des Verdichtergehäuse, eine hohe Temperatur aufweist, welche zumindest zeitweise zumindest der Siedetemperatur des Kühlmittels entspricht oder sogar höher ist als diese. Folglich kann das Kühlmittel die in ihm enthaltene Wärme besonders effizient an die Außenumgebung abgeben, beispielsweise in einem Kühler des Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem Hauptkühler. Das bedeutet, dass bei der beschriebenen Vorgehensweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses auf eine vergrößerte Kühlfläche verzichtet werden kann, sodass der Fahrwiderstand und mithin der Kraftstoffverbrauch sowie die CO2-Emission des Kraftfahrzeugs möglichst gering sind.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Kühlmittel ein Alkohol-Wasser-Gemisch verwendet wird. Das Kühlmittel enthält insoweit sowohl Alkohol als auch Wasser. Das Wasser verfügt über eine hohe Wärmekapazität, und der Alkohol dient dazu, die Siedetemperatur des Kühlmittels unter die Siedetemperatur des Wassers zu senken. Als Alkohol findet beispielsweise Ethanol Verwendung. Vorzugsweise enthält das Kühlmittel mindestens 40 Vol.-%, mindestens 50 Vol.-% oder mindestens 60 Vol.-% Alkohol und entsprechend höchstens 60 Vol.-%, höchstens 50 Vol.-% oder höchstens 40 Vol.-% Wasser. Neben dem Alkohol und dem Wasser kann das Kühlmittel selbstverständlich unvermeidbare Verunreinigungen aufweisen, bevorzugt jedoch höchstens 2 Vol.-%. Das Alkohol-Wasser-Gemisch ermöglicht die effektive Kühlung des Verdichtergehäuses.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Durchsatz des dem wenigstens einen Kühlmittelkanal zugeführten Kühlmittels derart eingestellt wird, dass das Kühlmittel bei einem Durchströmen des Kühlmittelkanals verdampft. Der Phasenwechsel beziehungsweise das Verdampfen des Kühlmittels soll also bereits in dem Kühlmittelkanal erfolgen und nicht beispielsweise erst stromabwärts des Kühlmittelkanals. Um sicherzustellen, dass stets ein effizientes und effektives Kühlen des Verdichtergehäuses erfolgt, wird der Durchsatz, also der Massenstrom oder der Volumenstrom des Kühlmittels, welcher dem mindestens einen Kühlmittelkanal zugeführt wird, in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdichtergehäuses gewählt und eingestellt. Der Durchsatz wird hierbei derart gewählt, dass das Kühlmittel bei dem Durchströmen des Kühlmittelkanals teilweise verdampft, nämlich nur teilweise.
  • Bevorzugt wird der Durchsatz derart eingestellt, dass höchstens ein bestimmter Anteil des Kühlmittels in dem Kühlmittelkanal verdampft. Beispielsweise wird der Durchsatz derart gewählt, dass nach dem Durchströmen des Kühlmittelkanals, insbesondere also an den Auslassanschluss, ein Anteil des Kühlmittels von höchstens 50 Vol.-%, höchstens 40 Vol.-% oder höchstens 30 Vol.- % verdampft ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass zum einen das Verdichtergehäuse effektiv durch die Phasenwechselkühlung gekühlt wird, umgekehrt das Verdampfen des Kühlmittels jedoch nicht zu einem Einbruch der Wärmeübertragung von dem Verdichtergehäuse auf das Kühlmittel führt. Insgesamt wird auf die beschriebene Art und Weise das Verdichtergehäuse effektiv gekühlt.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Kühlmittel stromabwärts des wenigstens einen Kühlmittelkanals einem Kühlmittelkondensator zugeführt wird. Das teilweise verdampfte Kühlmittel muss zunächst wieder in einen vollständig flüssigen Zustand überführt werden, bevor nachfolgend die Wärme aus dem Kühlmittel an die Außenumgebung abgeführt wird, insbesondere mithilfe des Kühlers beziehungsweise Hauptkühlers. Hierzu dient der Kühlmittelkondensator. Dieser ist derart ausgestaltet, dass er unabhängig von einem Betriebspunkt der Antriebseinrichtung stets ein vollständiges Kondensieren des verdampften Kühlmittels erzielt. Entsprechend kann nachfolgend das Kühlmittel effektiv wieder auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden, sodass sich eine hohe Effizienz ergibt.
  • Die Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Kühlmittelkanal an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung strömungstechnisch angeschlossen ist und in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel zumindest zeitweise umgewälzt wird, wobei das Kühlmittel wenigstens einer zu temperierenden Einrichtung zugeführt wird und dies derart erfolgt, dass das Kühlmittel die zu temperierende Einrichtung vollständig ohne Phasenwechsel durchläuft. Der Kühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung dient insoweit sowohl zum Temperieren beziehungsweise Kühlen des Verdichtergehäuses als auch zum Temperieren beziehungsweise Kühlen der zu temperierenden Einrichtung, welche von dem Verdichtergehäuse verschieden ist.
  • Im Unterschied zu dem Verdichtergehäuse soll jedoch die zu temperierende Einrichtung von dem Kühlmittel durchlaufen werden, ohne dass dieses verdampft. Die zu temperierende Einrichtung wird also von dem Kühlmittel vollständig ohne zu verdampfen durchlaufen. Hierzu wird insbesondere der Durchsatz des der zu temperierenden Einrichtung zugeführten Kühlmittels entsprechend gewählt. Es kann vorgesehen sein, dass die zu temperierende Einrichtung und das Verdichtergehäuse strömungstechnisch parallel an den Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die zu temperierende Einrichtung und das Verdichtergehäuse strömungstechnisch hintereinander in dem Kühlmittelkreislauf vorliegen beziehungsweise diesen angeschlossen sind.
  • Beispielsweise wird das Kühlmittel zunächst der zu temperierenden Einrichtung zugeführt und durchläuft diese vollständig ohne Phasenwechsel. Bei dem Durchlaufen der zu temperierenden Einrichtung nimmt das Kühlmittel Wärme auf, sodass sich seine Temperatur erhöht. Das so bereits vorgewärmte Kühlmittel wird anschließend dem Verdichtergehäuse zugeführt, in welchem es zur Realisierung der Phasenwechselkühlung teilweise verdampft. Der Kühlmittelkreislauf ist beispielsweise der Niedertemperaturkühlmittelkreislauf des Antriebsaggregats. In diesem wird das Kühlmittel stromaufwärts des Verdichtergehäuses und/oder der zu temperierenden Einrichtung auf eine Temperatur von höchstens 80 °C, höchstens 70 °C oder höchstens 60 °C eingestellt, beispielsweise mittels des Kühlers. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht ein besonders effektives Kühlen sowohl des Verdichtergehäuses als auch der zu temperierenden Einrichtung.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als zu temperierende Einrichtung ein Ladeluftkühler verwendet wird, über den das Antriebsaggregat an den Verdichter strömungstechnisch angeschlossen ist. Der Ladeluftkühler dient dem Kühlen der mittels des Verdichters verdichteten Luft, bevor diese dem Antriebsaggregat zugeführt wird. Entsprechend liegt der Ladeluftkühler strömungstechnisch zwischen dem Verdichter und dem Antriebsaggregat vor. Durch das Kühlen der Luft wird ihre Dichte vergrößert, sodass folglich die Effizienz des Antriebsaggregats steigt. Diese Maßnahme dient dem Erzielen eines besonders effizienten Betriebs der Antriebseinrichtung.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Verdichtergehäuse ein Lufteinlasskanal vorliegt, der von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal umgriffen ist, sodass das Kühlmittel zumindest zeitweise den Lufteinlasskanal umströmt. Bezüglich einer Hauptströmungsrichtung der mittels des Verdichters verdichteten Luft liegt der Lufteinlasskanal stromaufwärts des Verdichterlaufrads vor. Stromabwärts des Verdichterlaufrads ist ein Luftauslasskanal in dem Verdichter beziehungsweise dem Verdichtergehäuse ausgebildet. Folglich liegt das Verdichterlaufrad strömungstechnisch zwischen dem Lufteinlasskanal und dem Luftauslasskanal vor. Es verdichtet dem Verdichter über den Lufteinlasskanal zugeführte Luft und fördert sie in Richtung des Luftauslasskanals.
  • Der Kühlmittelkanal umgreift den Lufteinlasskanal, sodass das den Lufteinlasskanal umgreifende Verdichtergehäuse an dieser Stelle temperiert beziehungsweise gekühlt wird. Hierdurch wird verhindert, dass die in dem Verdichtergehäuse vorliegende Luft bereits stromaufwärts des Verdichterlaufrads übermäßig erwärmt wird, indem Wärme von dem Verdichtergehäuse auf sie übergeht. Vorzugsweise umgreift der Kühlmittelkanal den Lufteinlasskanal vollständig. Er umgibt insoweit den Lufteinlasskanal ringförmig beziehungsweise weist einen den Lufteinlasskanal umgebenden ringförmigen Abschnitt auf. Diese Ausgestaltung des Verdichters bewirkt, dass der Lufteinlasskanal zumindest zeitweise von Kühlmittel umströmt wird. Entsprechend wird auf die bereits beschriebene Art und Weise die hohe Effizienz der Antriebseinrichtung erzielt.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verdichterlaufrad über eine Welle gelagert ist, die von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal umgriffen ist, sodass das Kühlmittel zumindest zeitweise die Welle umströmt. Vorzugsweise ist das Verdichterlaufrad starr auf der Welle angeordnet. In jedem Fall ist es über die Welle drehbar gelagert, insbesondere bezüglich des Verdichtergehäuses. Zusätzlich oder alternativ zu dem Umgreifen des Lufteinlasskanals umgreift der Kühlmittelkanal die Welle, ist also entsprechend in dem Verdichtergehäuse angeordnet und ausgebildet. Hierdurch wird erreicht, dass die Welle zumindest zeitweise von dem Kühlmittel umströmt wird.
  • So wird verhindert, dass von an das Verdichtergehäuse angrenzenden Elementen Wärme in das Verdichtergehäuse eingetragen wird, beispielsweise über die Welle selbst. Dies ist insbesondere im Falle der Verwendung des Verdichters als Bestandteil des Abgasturboladers vorgesehen, da das Verdichterlaufrad in diesem Fall über die Welle antriebstechnisch mit dem Turbinenlaufrad verbunden ist. An das Verdichtergehäuse grenzt entsprechend ein Turbinengehäuse der Turbine oder ein Lagergehäuse an, über welches das Verdichtergehäuse mit dem Turbinengehäuse verbunden ist.
  • Da das Turbinengehäuse von dem Abgas des Antriebsaggregats durchströmt wird, weist es während des Betriebs der Antriebseinrichtung eine im Vergleich zu dem Verdichtergehäuse hohe Temperatur auf. Mittels des Umströmens der Welle durch das Kühlmittel kann ein Wärmeeintrag in das Verdichtergehäuse ausgehend von dem Turbinengehäuse zumindest verringert werden, sodass ein übermäßiger Wärmeeintrag in die das Verdichtergehäuse durchströmende Luft verhindert wird. Auch dies dient dem Erzielen einer besonders hohen Effizienz der Antriebseinrichtung.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sich an das Verdichtergehäuse ein Lagergehäuse anschließt, in welchem die Welle drehbar gelagert ist, wobei das Lagergehäuse mittels eines von dem Kühlmittelkreislauf verschiedenen weiteren Kühlmittelkreislaufs temperiert wird, in welchem zumindest zeitweise ein weiteres Kühlmittel umgewälzt wird. Das Lagergehäuse dient der Lagerung der Welle. In anderen Worten ist die Welle an und/oder in dem Lagergehäuse drehbar gelagert. Aus dem Lagergehäuse erstreckt sich die Welle in das Verdichtergehäuse hinein und dient dort der Lagerung des Verdichterlaufrads beziehungsweise ist dort mit dem Verdichterlaufrad verbunden.
  • Im Falle des Abgasturboladers greift das Lagergehäuse einerseits an dem Verdichtergehäuse und andererseits an dem Turbinengehäuse an, ist also an beiden befestigt und entsprechend auch wärmeübertragend mit beiden verbunden. Um einen Verschleiß eines zur Lagerung der Welle in beziehungsweise an dem Lagergehäuse verwendeten Lagers zu vermeiden und auch einen übermäßigen Wärmeeintrag von dem Turbinengehäuse in das Verdichtergehäuse zu vermeiden, ist das Lagergehäuse temperiert beziehungsweise gekühlt. Hierzu ist es an den weiteren Kühlmittelkreislauf angeschlossen.
  • Beispielsweise liegt in dem Lagergehäuse wenigstens ein weiterer Kühlmittelkanal vor, der strömungstechnisch an den weiteren Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. In dem weiteren Kühlmittelkreislauf und entsprechend auch in dem wenigstens einen weiteren Kühlmittelkanal wird zumindest zeitweise das weitere Kühlmittel umgewälzt. Der Kühlmittelkreislauf und der weitere Kühlmittelkreislauf sind voneinander verschieden. Hierunter ist zu verstehen, dass die beiden Kühlmittelkreisläufe strömungstechnisch zumindest zeitweise voneinander separiert sind und/oder separat voneinander betrieben werden können. Das bedeutet beispielsweise, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf mit einem ersten Kühlmitteldurchsatz und das weitere Kühlmittel in dem weiteren Kühlmittelkreislauf mit einem von dem ersten Kühlmitteldurchsatz verschiedenen zweiten Kühlmitteldurchsatz umgewälzt werden kann beziehungsweise zumindest zeitweise umgewälzt wird.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelkreislauf und der weitere Kühlmittelkreislauf permanent strömungstechnisch voneinander getrennt sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass dies lediglich zeitweise der Fall ist und die beiden Kühlmittelkreisläufe zeitweise strömungstechnisch in Verbindung miteinander stehen. In diesem Fall vermischen sich zeitweise das Kühlmittel und das weitere Kühlmittel.
  • Besonders bevorzugt wird als weitere Kühlmittelkreislauf ein Hochtemperaturkühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung verwendet. Das bedeutet, dass das weitere Kühlmittel während des Betriebs der Antriebseinrichtung zumindest zeitweise eine höhere Temperatur aufweist als das Kühlmittel. Insbesondere wird die Temperatur des Kühlmittels auf eine erste Kühlmitteltemperatur und die Temperatur des weiteren Kühlmittels auf eine zweite Kühlmitteltemperatur geregelt, wobei die zweite Kühlmitteltemperatur höher ist als die erste Kühlmitteltemperatur. Wie bereits erwähnt beträgt die erste Kühlmitteltemperatur vorzugsweise höchstens 70 °C, höchstens 60 °C oder höchstens 50 °C. Die zweite Kühlmitteltemperatur beträgt hingegen mindestens 80 °C, mindestens 90 °C oder mindestens 100 °C.
  • Die genannten Temperaturen liegen jeweils stromaufwärts der zu kühlenden Einrichtung vor, also stromaufwärts des Verdichtergehäuses beziehungsweise stromaufwärts des Lagergehäuses. Insbesondere liegen die genannten Temperatur unmittelbar stromabwärts eines zum Kühlen des Kühlmittels verwendeten Kühlers, insbesondere Hauptkühlers, vor. Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht ein sehr gezieltes Temperieren des Verdichtergehäuses und des Lagergehäuses beziehungsweise des gesamten Abgasturboladers. Insbesondere wird so idealerweise eine Entlastung sowohl des Niedertemperaturkühlmittelkreislaufs als auch des Hochtemperaturkühlmittelkreislaufs erzielt.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als weiteres Kühlmittel ein solches verwendet wird, das eine von dem Kühlmittel verschiedene Zusammensetzung aufweist. Insbesondere unterscheidet sich die Zusammensetzung des weiteren Kühlmittels von der Zusammensetzung des Kühlmittels derart, dass die beiden Kühlmittel voneinander verschiedene Siedetemperaturen aufweisen. Beispielsweise liegt auch das weitere Kühlmittel als Alkohol-Wasser-Gemisch vor. Bevorzugt wird in diesem Fall jedoch ein anderer Alkohol verwendet als für das Kühlmittel. Insbesondere wird für das Kühlmittel Ethanol als Alkohol verwendet, wohingegen für das weitere Kühlmittel beispielsweise Glycerin als Alkohol Verwendung findet. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht wiederum ein zielgerichtetes Temperieren von Verdichtergehäuse und Lagergehäuse.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, mit einem Antriebsaggregat, das strömungstechnisch an einen Verdichter angeschlossen ist, der über ein in einem Verdichtergehäuse drehbar gelagertes Verdichterlaufrad verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Verdichtergehäuse wenigstens ein Kühlmittelkanal vorliegt, dem zumindest zeitweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird, wobei das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgt und das Kühlmittel derart gewählt wird, dass das Kühlmittel während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses verdampft, wobei der wenigstens eine Kühlmittelkanal an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebseinrichtung strömungstechnisch angeschlossen ist und in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel zumindest zeitweise umgewälzt wird, wobei das Kühlmittel wenigstens einer zu temperierenden Einrichtung zugeführt wird und dies derart erfolgt, dass das Kühlmittel die zu temperierende Einrichtung vollständig ohne Phasenwechsel durchläuft.
  • Auf die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise beziehungsweise einer derartigen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Antriebseinrichtung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
  • Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
    • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Bereichs einer Antriebseinrichtung, nämlich eines Verdichters der Antriebseinrichtung.
  • Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Bereichs einer Antriebseinrichtung 1, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Von der Antriebsrichtung 1 ist ein Verdichter 2 dargestellt, welcher über ein in einem Verdichtergehäuse 3 angeordnetes Verdichterlaufrad 4 verfügt. Das Verdichterlaufrad 4 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Radialverdichterlaufrad ausgeführt. In dem Verdichtergehäuse 3 sind ein Lufteinlasskanal 5 sowie ein Luftauslasskanal 6 ausgestaltet, wobei der Lufteinlasskanal 5 bezüglich einer durch den Pfeil 7 angedeuteten Hauptströmungsrichtung von Luft durch den Verdichter 2 stromaufwärts des Verdichterlaufrads 4 und der Luftauslasskanal 6 stromabwärts des Verdichterlaufrads 4 vorliegt.
  • Das Verdichterlaufrad 4 ist mittels einer lediglich angedeuteten Welle 8 in dem Verdichtergehäuse 3 gelagert. Die Welle 8 erstreckt sich aus dem Verdichtergehäuse 3 heraus in ein Lagergehäuse 9 und ist an und/oder in diesem mittels eines nicht erkennbaren Lagers drehbar gelagert. An das Lagergehäuse 9 schließt sich auf seiner dem Verdichtergehäuse 3 abgewandten Seite beispielsweise ein nicht dargestelltes Turbinengehäuse einer Turbine an, welche wie auch der Verdichter 2 Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
  • Zur effizienten Kühlung des Verdichtergehäuses 3 ist in diesem wenigstens ein Kühlmittelkanal 10 ausgestaltet. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegen zwei Kühlmittelkanäle vor, nämlich der Kühlmittelkanal 10 und ein weiterer Kühlmittelkanal 11. Die beiden Kühlmittelkanäle 10 und 11 sind jeweils einerseits an einen Kühlmitteleinlass 12 und andererseits an einen Kühlmittelauslass 13 des Verdichtergehäuses 3 strömungstechnisch angebunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind sie strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet. Der Kühlmittelkanal 10 ist in dem Verdichtergehäuse 3 derart ausgebildet, dass er den Lufteinlasskanal 5 ringförmig umgreift, nämlich vollständig und durchgehend. Der Kühlmittelkanal 11 hingegen umgreift die Welle 8 insbesondere dort, wo sie das Verdichtergehäuse 3 in Richtung des Lakegehäuses 9 durchgreift. In anderen Worten ist der Kühlmittelkanal 11 zwischen dem Verdichterlaufrad 4 und dem Lagergehäuse 9 angeordnet.
  • Um ein effektives und effizientes Kühlen des Verdichtergehäuses 3 zu realisieren, wird den Kühlmittelkanälen 10 und 11 zumindest zeitweise ein Kühlmittel derart zugeführt, dass es während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung 1 zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses 3 verdampft. Das bedeutet, dass das Kühlmittel an dem Kühlmitteleinlass 12 in vollständig flüssigem Zustand vorliegt, an dem Kühlmittelauslass 13 hingegen teilweise in gasförmigem Zustand.
  • Der Kühlmitteleinlass 12 ist bei bestimmungsgemäßer Anordnung der Antriebseinrichtung 1 geodätisch unterhalb des Kühlmittelauslasses 13 angeordnet, um eine Durchströmung der Kühlmittelkanäle 10 und 11 mit dem Kühlmittel zu fördern, da das verdampfte Kühlmittel nach oben drängt. Während des Betriebs der Antriebseinrichtung 1 wird ein Kühlmitteldurchsatz durch das Verdichtergehäuse 3 beziehungsweise die Kühlmittelkanäle 10 und 11 derart eingestellt, dass zumindest ab dem Erreichen einer Betriebstemperatur durch eine Temperatur des Verdichtergehäuses 3 stets ein Teil des dem Verdichtergehäuse 3 zugeführten Kühlmittels verdampft. Beispielsweise wird der Durchsatz regelnd derart eingestellt, dass stromabwärts der Kühlmittelkanäle 10 und 11 ein bestimmter Anteil des Kühlmittels dampfförmig vorliegt, beispielsweise ein Anteil zwischen 20 Vol.-% und 50 Vol.-%, diese Werte jeweils eingeschlossen. Hierdurch wird eine besonders effektive Kühlung erzielt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebseinrichtung
    2
    Verdichter
    3
    Verdichtergehäuse
    4
    Verdichterlaufrad
    5
    Lufteinlasskanal
    6
    Luftauslasskanal
    7
    Pfeil
    8
    Welle
    9
    Lagergehäuse
    10
    Kühlmittelkanal
    11
    Kühlmittelkanal
    12
    Kühlmitteleinlass
    13
    Kühlmittelauslass

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (1), die ein Antriebsaggregat aufweist, das strömungstechnisch an einen Verdichter (2) angeschlossen ist, der über ein in einem Verdichtergehäuse (3) drehbar gelagertes Verdichterlaufrad (4) verfügt, wobei in dem Verdichtergehäuse (3) wenigstens ein Kühlmittelkanal (10, 11) vorliegt, dem zumindest zeitweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses (3) ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgt und das Kühlmittel derart gewählt wird, dass das Kühlmittel während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung (1) zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses (3) verdampft, wobei der wenigstens eine Kühlmittelkanal (10, 11) an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebsrichtung (1) strömungstechnisch angeschlossen ist und in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel zumindest zeitweise umgewälzt wird, wobei das Kühlmittel wenigstens einer zu temperierenden Einrichtung zugeführt wird und dies derart erfolgt, dass das Kühlmittel die zu temperierende Einrichtung vollständig ohne Phasenwechsel durchläuft.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchsatz des dem wenigstens einen Kühlmittelkanal (10, 11) zugeführten Kühlmittels derart eingestellt wird, dass das Kühlmittel bei einem Durchströmen des Kühlmittelkanals (10, 11) verdampft.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel stromabwärts des mindestens einen Kühlmittelkanals (10, 11) einem Kühlmittelkondensator zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zu temperierende Einrichtung ein Ladeluftkühler verwendet wird, über den das Antriebsaggregat an den Verdichter (2) strömungstechnisch angeschlossen ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichtergehäuse (3) ein Lufteinlasskanal (5) vorliegt, der von dem wenigsten einen Kühlmittelkanal (10, 11) umgriffen ist, sodass das Kühlmittel zumindest zeitweise den Lufteinlasskanal (5) umströmt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterlaufrad (4) über eine Welle (8) gelagert ist, die von dem mindestens einen Kühlmittelkanal (10, 11) umgriffen ist, sodass das Kühlmittel zumindest zeitweise die Welle (8) umströmt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich an das Verdichtergehäuse (3) ein Lagergehäuse (9) anschließt, in welchem die Welle (8) drehbar gelagert ist, wobei das Lagergehäuse (9) mittels eines von dem Kühlmittelkreislauf verschiedenen weiteren Kühlmittelkreislauf temperiert wird, in welchem zumindest zeitweise ein weiteres Kühlmittel umgewälzt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Kühlmittel ein solches verwendet wird, das eine von dem Kühlmittel verschiedene Zusammensetzung aufweist.
  9. Antriebseinrichtung (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Antriebsaggregat, das strömungstechnisch an einen Verdichter (2) angeschlossen ist, der über ein in einem Verdichtergehäuse (3) drehbar gelagertes Verdichterlaufrad (4) verfügt, wobei in dem Verdichtergehäuse (3) wenigstens ein Kühlmittelkanal (10, 11) vorliegt, dem zumindest zeitweise zum Temperieren des Verdichtergehäuses (3) ein flüssiges Kühlmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Kühlmittels derart erfolgt und das Kühlmittel derart gewählt wird, dass das Kühlmittel während eines bestimmungsgemäßen Betriebs der Antriebseinrichtung (1) zur Realisierung einer Phasenwechselkühlung des Verdichtergehäuses (3) verdampft, wobei der wenigstens eine Kühlmittelkanal (10, 11) an einen Kühlmittelkreislauf der Antriebsrichtung (1) strömungstechnisch angeschlossen ist und in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel zumindest zeitweise umgewälzt wird, wobei das Kühlmittel wenigstens einer zu temperierenden Einrichtung zugeführt wird und dies derart erfolgt, dass das Kühlmittel die zu temperierende Einrichtung vollständig ohne Phasenwechsel durchläuft.
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