WO2011091826A2 - Aufladeeinrichtung zum verdichten eines mediums sowie antriebsstrang für einen kraftwagen mit einer solchen aufladeeinrichtung - Google Patents

Aufladeeinrichtung zum verdichten eines mediums sowie antriebsstrang für einen kraftwagen mit einer solchen aufladeeinrichtung Download PDF

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WO2011091826A2
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air
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Paul Löffler
Manfred Stute
Siegfried Sumser
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Daimler Ag
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    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/23—Gas turbine engines
    • F16C2360/24—Turbochargers

Definitions

  • Charging device for compressing a medium and drive train for
  • the invention relates to a charging device for compressing a medium
  • Charging devices in the form of exhaust-gas turbochargers which comprise a rotor with a shaft which is mounted in a bearing housing by means of a bearing device, are known from series-production vehicle construction. Such a rotor has during operation of the
  • Sintered body is provided. Furthermore, a supply line for the storage gas which is supplied in the interior of the shaft is provided, as well as a bearing shell divided into individual, partially overlapping segments, wherein the segments are spread by spring elements arranged between them in the region of the overlaps.
  • a charging device for compressing a medium
  • a rotor comprising at least one compressor wheel, which is mounted in the axial direction of the compressor wheel by means of at least one bearing ring having an inner diameter and an outer diameter, is characterized in that a quotient of one from the arithmetic mean value of the outer diameter formed and the inner diameter formed mean diameter D ax of the bearing ring and a
  • Exit diameter D v of the compressor wheel at least substantially in a range of 0.6 ⁇ - ⁇ s i. ⁇ 1, 4 lies.
  • Axiallagerungs is formed, based on the outlet diameter of the compressor D v at a relatively large diameter D ax placed so as to use high circumferential speeds and relative movements of corresponding sliding surfaces for storage each other even at relatively low speeds of the rotor for a desired, sufficient carrying capacity to thereby a safe and efficient storage of the rotor also over a very high operating time of the
  • the charging device according to the invention is used, for example, as an exhaust gas turbocharger in the known manner. Likewise she is at one
  • Fuel cell can be used, wherein by means of the charging device according to the invention one of the fuel cell to be supplied air is compressible and the rotor and thus the Compressor, for example by means of an electric machine, both as
  • the generation of electrical energy can be carried out, for example, such that the rotor also comprises a turbine wheel, which of an exhaust gas of the fuel cell or of an exhaust gas of a
  • Exhaust gas turbocharger is drivable.
  • an adjusting element is provided in the flow direction of the exhaust gas upstream of the turbine wheel, for example, by means of which a flow cross-section is adjustable, whereby the charging device over a wide range of different operating points of the fuel cell or the internal combustion engine is customizable. This allows a particularly efficient operation of the charging device.
  • a variable guide grid element can be
  • variable guide grid element and / or the mentioned counter-pressure flap a narrowest flow cross-section upstream of the turbine is adjustable, whereby the Stopfalia a compressor of the charging device, which is associated with the compressor, influenced and thus the charging device to a large plurality of different operating points of the fuel cell or of the
  • Internal combustion engine is customizable.
  • the design and arrangement of the bearing ring of the storage device of the charging device according to the invention allows a very good axial bearing of the rotor at different operating points of the charging device and even at very high axial loads.
  • the charging device according to the invention can also act as a range extender with a gas turbine and directly coupled electric generator for electric vehicles, the storage device ensures a very good storage of the rotor in this application.
  • the bearing of the rotor of the charging device according to the invention is applicable to at least almost any application with high-speed rotors, in which flow compressors are used and in which an axial thrust compensation is a high challenge.
  • the storage device allows the absorption and support of high axial forces, these axial forces significantly affect the life of the storage device and thus the charging device. If the influence of these axial forces on the life of the bearing device is weighted, this influence of the axial forces should be assessed as two thirds of the total.
  • storage devices that absorb at least substantially forces in the radial direction of the compressor wheel absorb unbalance forces of the rotor, which by a
  • Fine balancing can be kept in a small frame.
  • the at least one bearing ring can be lubricated by means of a lubricant supply device with at least substantially liquid lubricant.
  • This liquid lubricant is, for example, lubricating oil. Equally possible is the use of water, one
  • Fuel and a liquid medium for Abgasent nitung for example, an aqueous solution of urea. It is also possible that the bearing ring by means of a
  • Lubricating grease is lubricated.
  • the at least one bearing ring by means of
  • Lubricant supply device with an at least substantially gaseous lubricant, in particular air lubricated wherein such lubrication with air is particularly advantageous when using the charging device according to the invention in so-called zero-emission vehicles, in which by the use of air as a lubricant environment polluting emissions due to leakage of lubricant are avoided.
  • the storage device is at least partially designed as an air bearing device, wherein the at least one bearing ring of
  • Air storage device is assigned. This means that in this case an air bearing of the rotor in the axial direction of the compressor wheel and thus of the rotor is represented by the at least one bearing ring, which is also advantageous in the mentioned zero-emission vehicles due to the avoidance of polluting emissions. Hydrocarbon-containing lubricants, such as lubricating oil, are thereby substituted by air.
  • the invention also includes a drive train for a motor vehicle with at least one charging device according to the invention, wherein by means of the charging device, a medium to be supplied to an aggregate, in particular an internal combustion engine or a fuel cell to be supplied air, can be compressed.
  • a medium to be supplied to an aggregate in particular an internal combustion engine or a fuel cell to be supplied air
  • Advantageous embodiments of the charging device according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the drive train according to the invention and vice versa. It can the
  • Drive train include the stated lubricant supply device by means of which the bearing ring with a gaseous or liquid or grease-like lubricant is lubricated.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a drive train of a motor vehicle with an embodiment of the charging device according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail of a longitudinal sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention
  • FIG. 3 shows a detail of a longitudinal sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention
  • FIG. 4 shows a detail of a longitudinal sectional view of an embodiment of the charging device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a drive train 8 with a fuel cell 10, by means of which in the fuel cell 10 supplied and compressed air contained oxygen and the fuel cell 10 supplied hydrogen is recoverable to recover electrical energy in water.
  • the electrical energy is supplied via lines 12 of a battery 14 and stored in the battery 14. Via lines 16, the stored electrical energy to an electric motor 18 can be fed, which converts the electrical energy into a torque of a shaft 20, whereby a motor vehicle with the
  • the fuel cell 10 is the hydrogen from a tank 22 via a valve 24 can be fed.
  • a valve 24 can be fed.
  • Charging device 28 which comprises a compressor 30 having a rotor 31 compressed.
  • the rotor 31 in turn comprises a compressor wheel 32 which is connected in a rotationally fixed manner to a shaft 34 of the rotor 31 and which can be driven via the shaft 34 by an electric motor 36 of the charging device 28.
  • the compressor 30 of the charging device 28 thus constitutes a low-pressure compressor, which pre-compresses the air, whereupon it is fed to a high-pressure compressor in the form of a compressor 38 of a further charging device 41.
  • the compressor 38 also includes a rotor 39, which rotatably connected to a shaft 42
  • Compressor 40 and a non-rotatably connected to the shaft 42 turbine 44 of a turbine 46 of the charging device 41 comprises.
  • the turbine 46 of the charging device 41 is designed as a double-flow turbine, for example as a segmented turbine whose
  • Turbine 44 is acted upon by an exhaust gas of the fuel cell 10 according to a direction arrow 48 and thereby driven, whereby the shaft 42 and thus the
  • Compressor 40 are driven to compress the air.
  • the thus compressed air is about a Umblase-amount metering 50 and a cooler 52 of the
  • Fuel cell 10 according to a direction arrow 54 supplied.
  • the turbine 46 of the charging device 41 can be acted upon by an exhaust gas of a combustion chamber 56 in accordance with a directional arrow 58 in addition to the exhaust gas of the fuel cell 10.
  • This combustion chamber 56 is in turn hydrogen from the tank 22 via a valve 60 and at least part of the
  • Exhaust after-treatment device 62 is arranged, which purifies the said exhaust gases before they are discharged to the environment. Furthermore, the drive train 8 comprises a control device 64, by means of which the Umblase-amount metering 50 and the valves 24 and 60 are controlled.
  • the rotors 31 and 39 of the superchargers 28 and 41 are in the axial direction of the respective compressor wheel 32 and 40 and thus the rotors 31 and 39 according to
  • Bearing means 68 a thrust bearing 76 with the bearing ring 66 and according to FIGS. 2 and 3 with a further bearing ring 67, by means of which the rotor 31, 39 is mounted in the axial direction of the compressor wheel 32, 40.
  • the bearing ring 66 has an inner diameter Dj (FIG. 2) and an outer diameter D a (FIG. 2).
  • the compressor wheel 32, 40 has a
  • Diameter D ax and the exit diameter D at least substantially in a range of 0.6 ⁇ - ⁇ 35 - ⁇ 1, 4 is.
  • This arrangement of the bearing ring 66 on a relative large diameter is in a supply shown in FIG. 1 of the
  • Fuel cell 10 favors with air through a relatively large diameter of the electric motor 36, wherein the electric motor 36 rotatably connected to the shaft
  • Electric motor rotor 78 is a rotating with the motor rotor 78 sliding disk 87 of the thrust bearing 76 is arranged, which cooperates with the bearing ring 66 for supporting axial forces.
  • an aerodynamic thrust bearing 76 is created, which supports axial forces efficiently to show a long life of the
  • the storage device 68 is designed as an air bearing device, wherein the thrust bearing 76 is lubricated by air.
  • a caused by the rotating compressor wheel 32, 40 gas pressure on a Verdichterraleton 86 leads to an axial thrust of the rotor 31, 39 according to a direction arrow 88 against an inflow direction according to a direction arrow 90 of the air of the thrust bearing 76, which with the air as a lubricant via defined feed channels 90th is available.
  • the feed channels 90 pass through a wall in the axial direction according to the directional arrow 70, 72 between the compressor wheel 32, 40 and the electric motor rotor 78.
  • the storage device 68 further comprises a radial bearing 92 which is sealed to the compressor wheel 32, 40 by a labyrinth 94 and also with air as
  • the radial bearing 92 may also be provided by a ball bearing and / or a sliding bearing with low bearing stress.
  • the front side 84 of the electric motor rotor 78 forms together with a
  • an aerodynamic air bearing for supporting axial forces is created by the bearing ring 67.
  • the air as a lubricant which is the bearing power loss in the form absorbs heat, leaves the bearing housing 80, for example, via an annular gap between the electric motor rotor 78 and the motor stator 82 in the direction according to the directional arrow 90 and is finally released into the environment.
  • the charging device 28, 41 according to FIG. 2 further comprises a radial
  • Keilschaufeldiffusor 96 and an axial cone diffuser 98 The compressed air to be compressed by the compressor wheel 32, 40 flows in accordance with a directional arrow 100 in a
  • Compressor housing 102 of the compressor 30, 38 is compressed by the compressor wheel 32, 40 and discharged via a compressor spiral 104 from the compressor housing 102.
  • Fig. 3 shows a different from the Fig. 2 supply of the bearing ring 66 as a lubricant to be supplied air, wherein a Abzapfsmaschine the air in the
  • Compressor spiral 104 opens, and wherein the pressure in the compressor coil 104 due to a flow of air through both the axial cone diffuser 98 and the radial wedge blade diffuser 96 at least almost a maximum discharge pressure of the compressor 30, 38 corresponds.
  • Supply ducts 90 for air supply are guided through the compressor housing 102, through the radial wedge blade diffuser 96 and the corresponding wall of the bearing housing 80 and into a region of the bearing ring 66, which also constitutes a sliding disk, and the sliding disk 87.
  • FIG. 4 shows the axial bearing 76 for the charging device 28, 41, which is designed as a so-called free-runner, as it is used for example as a charging device 28 or could be suitable for an exhaust gas turbocharger.
  • Sliding discs formed bearing rings 66 and 67 which are also formed as shown in FIGS. 2 and 3 as sliding discs are arranged in the axial direction according to the directional arrow 70, 72 of the rotor 31, 39 on both sides of a rotatably connected to the shaft 34, 42 disc 106 and cooperate with respective sliding discs 87 which are arranged on the disc 106 and fixed thereto, which in turn aerodynamic air bearings for the axial mounting of the rotor 31, 39 are shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (28, 41) zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad (32, 40) umfassenden Rotor (31, 39), welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser (Di) sowie einen äußeren Durchmesser (Da) aufweisenden Lagerrings (66, 67) einer Lagerungseinrichtung (68) in axialer Richtung (70, 72) des Verdichterrades (30, 40) gelagert ist, wobei ein Quotient D ax /D V aus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren Durchmessers (Da) und des inneren Durchmessers (Di) gebildeten mittleren Durchmesser D ax des Lagerings (66) und einem Austrittsdurchmesser D V des Verdichterrads (30, 40) zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von 0,6 < (D ax /D V ) < 1,4 liegt, sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer solchen Aufladeeinrichtung.

Description

Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums sowie Antriebsstrang für
Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums,
insbesondere von Luft, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung.
Aus dem Serienkraftwagenbau sind Aufladeeinrichtungen in Form von Abgasturboladern bekannt, die einen Rotor mit einer Welle umfassen, die in einem Lagergehäuse mittels einer Lagerungseinrichtung gelagert ist. Ein solcher Rotor weist im Betrieb des
Abgasturboladers sehr hohe Drehzahlen auf, die insbesondere über eine lange
Betriebsdauer sowie über eine hohe Lebensdauer des Abgasturboladers zu extrem hohen Belastungen des Rotors sowie des Lagergehäuses führen.
Die DE 8717441 U1 offenbart einen Turbolader mit einem gasstatischen Radiallager, wobei ein einen Abschnitt der Lagerlänge einnehmendes Teil aus einem porösen
Sinterkörper vorgesehen ist. Des Weiteren ist eine im Inneren der Welle zugeführte Zuleitung für das Lagergas sowie eine in einzelne, aneinander teilweise überlappende Segmente aufgeteilte Lagerschale vorgesehen, wobei die Segmente durch im Bereich der Überlappungen zwischen ihnen angeordnete Federelemente gespreizt werden.
Diese sowie die aus dem Serienkraftwagenbau bekannten Aufladeeinrichtungen weisen weiteres Potential auf, eine Lagerung eines im Betrieb der Aufladeeinrichtung rotierenden Rotors weiter zu verbessern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufladeeinrichtung zum
Verdichten eines Mediums sowie einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Lebensdauer aufweisen. Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer solchen Aufladeeinrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit
zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung zum Verdichten eines Mediums,
insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad umfassenden Rotor, welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser sowie einen äußeren Durchmesser aufweisenden Lagerrings einer Lagerungseinrichtung in axialer Richtung des Verdichterrades gelagert ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Quotient aus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren Durchmessers und des inneren Durchmessers gebildeten mittleren Durchmesser Dax des Lagerrings und einem
Austrittsdurchmesser Dv des Verdichterrads zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von 0,6 < -^si. < 1 ,4 liegt.
Dv
Dadurch ist der Lagerring der Lagerungseinrichtung, welche als
Axiallagerungseinrichtung ausgebildet ist, bezogen auf den Austrittsdurchmesser des Verdichterrads Dv bei einem relativ großen Durchmesser Dax platziert, um somit hohe Umfangsgeschwindigkeiten und Relativbewegungen von korrespondierenden Gleitflächen zur Lagerung zueinander schon bei relativ geringen Drehzahlen des Rotors für eine gewünschte, ausreichende Tragfähigkeit zu nutzen, um dadurch eine sichere und effiziente Lagerung des Rotors auch über eine sehr hohe Betriebsdauer der
Aufladeeinrichtung und eine hohe Lebensdauer derselbigen hinweg zu gewährleisten. Des Weiteren sind bei dieser Platzierung des Lagerrings auf dem großen Durchmesser im Allgemeinen ausreichende Flächen bereitgestellt, um auch höchste
Schubbeanspruchungen in axialer Richtung des Verdichterrades und damit des Rotors zu bewältigen und abzustützen.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung ist dabei beispielsweise als Abgasturbolader in der bekannten Art und Weise einsetzbar. Ebenso ist sie bei einem
Luftversorgungssystem in einem Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit einer
Brennstoffzelle einsetzbar, wobei mittels der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung eine der Brennstoffzelle zuzuführende Luft verdichtbar ist und der Rotor und damit das Verdichterrad beispielsweise mittels einer elektrischen Maschine, die sowohl als
Elektromotor als auch gegebenenfalls als Generator zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben werden kann, antreibbar ist. Die Erzeugung von elektrischer Energie kann beispielsweise derart erfolgen, dass der Rotor auch ein Turbinenrad umfasst, welches von einem Abgas der Brennstoffzelle beziehungsweise von einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine (bei der Ausbildung der Aufladeeinrichtung als
Abgasturbolader) antreibbar ist. Dabei ist in Strömungsrichtung des Abgases stromauf des Turbinenrades beispielsweise ein Verstellelement vorgesehen, mittels welchem ein Strömungsquerschnitt einstellbar ist, wodurch die Aufladeeinrichtung über ein breites Spektrum an unterschiedliche Betriebspunkte der Brennstoffzelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung. Ein solches, variables Leitgitter-Element kann
beispielsweise eine Gegendruckklappe zur Einstellung eines Abgasgegendrucks obsolet werden lassen.
Durch das variable Leitgitter-Element und/oder die angeführte Gegendruckklappe ist ein engster Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads einstellbar, wodurch die Stopfgrenze eines Verdichters der Aufladeeinrichtung, welchem das Verdichterrad zugeordnet ist, beeinflussbar und somit die Aufladeeinrichtung an eine große Vielzahl von unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennstoffzelle beziehungsweise der
Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist.
In jeglicher Hinsicht ermöglicht die Ausgestaltung und Anordnung des Lagerrings der Lagerungseinrichtung der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung eine sehr gute axiale Lagerung des Rotors bei unterschiedlichsten Betriebspunkten der Aufladeeinrichtung und das auch bei sehr hohen, axialen Belastungen.
Diese sehr gute Lagerung auch bei hohen Beanspruchungen und über eine hohe Betriebsdauer sowie eine hohe Lebensdauer der Aufladeeinrichtung hinweg ermöglicht die Darstellung hoher Leistungen der Aufladeeinrichtung, was mit hohen
Leistungsausbeuten und hohen Wirkungsgraden der Brennstoffzelle beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
Die erfindungsgemäße Aufladeeinrichtung kann auch als Range-Extender mit einer Gasturbine und mit direkt angekoppeltem Elektrogenerator für Elektrofahrzeuge fungieren, wobei die Lagerungseinrichtung auch bei diesem Anwendungsfall eine sehr gute Lagerung des Rotors gewährleistet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Lagerung des Rotors der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung auf zumindest nahezu jedwede Anwendung mit hochdrehenden Rotoren anwendbar ist, bei denen Strömungsverdichter eingesetzt werden und bei denen eine Axialschubkompensation eine hohe Herausforderung darstellt. Die Lagerungseinrichtung ermöglicht die Aufnahme und Abstützung hoher Axialkräfte, wobei diese Axialkräfte die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung und damit der Aufladeeinrichtung maßgeblich beeinflusst. Gewichtet man den Einfluss dieser Axialkräfte auf die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung, so ist dieser Einfluss der Axialkräfte mit zwei Dritteln vom Gesamten zu bewerten. Im Gegensatz dazu müssen Lagerungseinrichtungen, die zumindest im Wesentlichen Kräfte in radialer Richtung des Verdichterrads aufnehmen, Unwuchtkräfte des Rotors aufnehmen, die durch eine
Feinwuchtung in einem geringen Rahmen gehalten werden können.
Der Einfluss von Gaskräften auf die für die Lebensdauer der Lagerungseinrichtung maßgeblichen Axialkräfte ist dabei nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand zu reduzieren, was eine derartige Ausgestaltung der Lagerungseinrichtung zum Lagern des Rotors in axialer Richtung desselbigen vonnöten macht, dass auch bei hohen Gaskräften und damit auch bei hohen Axialkräften eine sichere Lagerung dauerhaft gewährleistet ist. Dies ist durch die Lagerungseinrichtung beziehungsweise die Ausgestaltung des Lagerrings der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung realisiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zumindest eine Lagerring mittels einer Schmierstoffversorgungseinrichtung mit zumindest im Wesentlichen flüssigem Schmiermittel schmierbar. Bei diesem flüssigen Schmiermittel handelt es sich beispielsweise um Schmieröl. Ebenso möglich ist der Einsatz von Wasser, eines
Kraftstoffes sowie eines flüssigen Mediums zur Abgasentstickung, beispielsweise einer wässrigen Harnstoff lösung. Auch möglich ist, dass der Lagerring mittels eines
Schmierfettes schmierbar ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der zumindest eine Lagerring mittels der
Schmierstoffversorgungseinrichtung mit einem zumindest im Wesentlichen gasförmigen Schmierstoff, insbesondere Luft, schmierbar, wobei eine derartige Schmierung mit Luft insbesondere bei Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung in so genannten Nullemissionsfahrzeugen vorteilbehaftet ist, bei welchen durch den Einsatz von Luft als Schmiermittel Umwelt belastende Emissionen durch ein Austreten von Schmiermittel vermieden sind. Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lagerungseinrichtung zumindest teilweise als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet, wobei der zumindest eine Lagerring der
Luftlagerungseinrichtung zugeordnet ist. Dies bedeutet also, dass durch den zumindest einen Lagerring in diesem Fall eine Luftlagerung des Rotors in axialer Richtung des Verdichterrads und damit des Rotors dargestellt ist, die ebenso bei den erwähnten Nullemissionsfahrzeugen aufgrund der Vermeidung von Umwelt belastenden Emissionen vorteilhaft ist. Kohlenwasserstoffe beinhaltende Schmiermittel, wie beispielsweise Schmieröl, sind dabei durch Luft substituiert.
Zur Erfindung gehört auch ein Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung, wobei mittels der Aufladeeinrichtung ein einem Aggregat zuzuführendes Medium, insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine oder eine Brennstoffzelle zuzuführende Luft, verdichtbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs und umgekehrt anzusehen. Dabei kann der
Antriebsstrang die angeführte Schmiermittelversorgungseinrichtung umfassen, mittels welcher der Lagerring mit einem gasförmigen oder flüssigen oder fettartigen Schmierstoff schmierbar ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Antriebsstrangs eines Kraftwagens mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung;
Fig. 2 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung; Fig. 3 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung; und
Fig. 4 ausschnittsweise eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung.
Die Fig. 1 zeigt einen Antriebsstrang 8 mit einer Brennstoffzelle 10, mittels welcher in der Brennstoffzelle 10 zugeführter und verdichteter Luft enthaltener Sauerstoff und der Brennstoffzelle 10 zugeführter Wasserstoff unter Gewinnung von elektrischer Energie in Wasser umwandelbar ist. Die elektrische Energie wird über Leitungen 12 einer Batterie 14 zugeführt und in der Batterie 14 gespeichert. Über Leitungen 16 ist die gespeicherte elektrische Energie einem elektrischen Motor 18 zuführbar, der die elektrische Energie in ein Drehmoment einer Welle 20 umwandelt, wodurch ein Kraftwagen mit dem
Antriebsstrang 8 antreibbar ist.
Der Brennstoffzelle 10 ist dabei der Wasserstoff aus einem Tank 22 über ein Ventil 24 zuführbar. Zur Darstellung eines besonders effizienten Betriebs der Brennstoffzelle 10 und zur Darstellung hoher Leistungen wird die der Brennstoffzelle 10 zuzuführende und gemäß einem Richtungspfeil 26 angesaugte Luft zunächst von einer ersten
Aufladeeinrichtung 28 verdichtet, welche einen Verdichter 30 umfasst, der einen Rotor 31 aufweist. Der Rotor 31 umfasst wiederum ein mit einer Welle 34 des Rotors 31 drehfest verbundenes Verdichterrad 32, welches über die Welle 34 von einem Elektromotor 36 der Aufladeeinrichtung 28 angetrieben werden kann.
Der Verdichter 30 der Aufladeeinrichtung 28 stellt somit einen Niederdruckverdichter dar, der die Luft vorverdichtet, woraufhin sie einem Hochdruckverdichter in Form eines Verdichters 38 einer weiteren Aufladeeinrichtung 41 zugeführt wird. Auch der Verdichter 38 umfasst einen Rotor 39, der ein drehfest mit einer Welle 42 verbundenes
Verdichterrad 40 sowie ein drehfest mit der Welle 42 verbundenes Turbinenrad 44 einer Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 umfasst. Die Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 ist als zweiflutige Turbine, beispielsweise als Segmentturbine ausgebildet, deren
Turbinenrad 44 von einem Abgas der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Richtungspfeil 48 beaufschlagt und dadurch angetrieben wird, wodurch die Welle 42 und damit das
Verdichterrad 40 zum Verdichten der Luft angetrieben werden. Die so weiter verdichtete Luft wird über eine Umblase-Mengen-Dosierung 50 und einen Kühler 52 der
Brennstoffzelle 10 gemäß einem Richtungspfeil 54 zugeführt. Damit auch die Turbine 46 der Aufladeeinrichtung 41 hohe Leistungen darstellen kann, ist sie neben dem Abgas der Brennstoffzelle 10 mit einem Abgas einer Brennkammer 56 gemäß einem Richtungspfeil 58 beaufschlagbar. Dieser Brennkammer 56 ist wiederum Wasserstoff aus dem Tank 22 über ein Ventil 60 sowie zumindest ein Teil der
angesaugten und verdichteten Luft zuführbar.
In der Brennkammer 56 erfolgt dann eine Verbrennung des Wasserstoff-Luft-Gemisches, wobei das daraus resultierende Abgas eine relativ hohe Energie in Form von
Wärmeenergie trägt, welche zum Antreiben der Turbine 46 genutzt werden kann.
In Strömungsrichtung sowohl des Abgases der Brennstoffzelle 10 als auch des Abgases der Brennkammer 56 stromab des Turbinenrads 44 ist eine
Abgasnachbehandlungseinrichtung 62 angeordnet, die die besagten Abgase reinigt, bevor sie an die Umwelt entlassen werden. Des Weiteren umfasst der Antriebsstrang 8 eine Regelungseinrichtung 64, mittels welcher die Umblase-Mengen-Dosierung 50 sowie die Ventile 24 und 60 geregelt werden.
Die Rotoren 31 und 39 der Aufladeeinrichtungen 28 und 41 sind dabei in axialer Richtung des jeweiligen Verdichterrads 32 und 40 und damit der Rotoren 31 und 39 gemäß
Richtungspfeilen 70 beziehungsweise 72 mittels eines Lagerrings 66 (Fig. 2 bis 4) einer Lagerungseinrichtung 68 (Fig. 2 bis 4) gelagert.
Wie anhand einer Zusammenschau der Fig. 2 bis 4 deutlich wird, umfasst die
Lagerungseinrichtung 68 ein Axiallager 76 mit dem Lagerring 66 und gemäß den Fig. 2 und 3 mit einem weiteren Lagerring 67, mittels welchen der Rotor 31 , 39 in axialer Richtung des Verdichterrads 32, 40 gelagert ist.
Der Lagerring 66 weist dabei einen inneren Durchmesser Dj (Fig. 2) sowie einen äußeren Durchmesser Da (Fig. 2) auf. Das Verdichterrad 32, 40 weist indes einen
Austrittsdurchmesser Dv (Fig. 4) auf. Bildet man den arithmetischen Mittelwert aus dem inneren Durchmesser D, und dem äußeren Durchmesser Da, so ergibt sich ein mittlerer
Durchmesser Dax (Fig. 4) des Lagerings 66, wobei ein Quotient aus dem mittleren
Durchmesser Dax und dem Austrittsdurchmesser D zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von 0,6 < -^35- < 1 ,4 liegt. Diese Anordnung des Lagerrings 66 auf einem relativ großen Durchmesser wird bei einer gemäß der Fig. 1 gezeigten Versorgung der
Brennstoffzelle 10 mit Luft durch einen relativ großen Durchmesser des Elektromotors 36 begünstigt, wobei der Elektromotor 36 einen drehfest mit der Welle verbundenen
Elektromotorrotor 78 sowie einen fest mit einem Lagergehäuse 80 der Aufladeeinrichtung 28, 41 verbunden Elektromotorstator 82 umfasst. An einer Stirnseite 84 des
Elektromotorrotors 78 ist eine sich mit dem Motorrotor 78 drehende Gleitscheibe 87 des Axiallagers 76 angeordnet, die zur Abstützung von Axialkräften mit dem Lagerring 66 zusammenwirkt. Somit ist ein aerodynamisches Axiallager 76 geschaffen, welches Axialkräfte effizient abstützt zur Darstellung einer hohen Lebensdauer der
Lagerungseinrichtung 68 und damit der Aufladeeinrichtung 28, 41.
Die Lagerungseinrichtung 68 ist dabei als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet, wobei das Axiallager 76 mittels Luft schmierbar ist. Eine durch das drehende Verdichterrad 32, 40 bewirkte Gasdruckkraft auf einem Verdichterradrücken 86 führt zu einem Axialschub des Rotors 31 , 39 gemäß einem Richtungspfeil 88 entgegen einer Einströmrichtung gemäß einem Richtungspfeil 90 der Luft des Axiallagers 76, welche mit der Luft als Schmiermittel über definierte Zuführungskanäle 90 versorgbar ist. Die Zuführungskanäle 90 durchlaufen dabei eine Wandung in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 70, 72 zwischen dem Verdichterrad 32, 40 und dem Elektromotorrotor 78.
Die Lagerungseinrichtung 68 umfasst des Weiteren ein Radiallager 92, welches zum Verdichterrad 32, 40 durch ein Labyrinth 94 abgedichtet und ebenso mit Luft als
Schmiermittel versorgbar ist. Das Radiallager 92 kann auch durch ein Kugellager und/oder ein Gleitlager mit geringer Lagerbeanspruchung bereitgestellt sein.
Die Stirnseite 84 des Elektromotorrotors 78 bildet zusammen mit einem
Durchsatzverhalten beziehungsweise Aufstauverhalten des Lagerrings 66 auch eine Teilkompensation eines Axialschubes infolge der Axialkräfte, wodurch eine durch den Lagerring 66 dargestellte Luftlagerung eine Entlastung erfährt.
Der zweite Lagerring 67 zur axialen Lagerung des Rotors 31 , 39, welcher ebenfalls mit durch das Verdichterrad 32, 40 verdichteter Luft geschmiert wird und an dem
Verdichterradrücken 86 angeordnet und an diesem fixiert ist, sichert eine definierte Lage des Rotors 31 , 39 ab, ohne dass in Richtung des Elektromotorrotors 78 beziehungsweise des Elektromotorstators 82 größere Lagerbelastungen aufgenommen werden müssen. Somit ist auch durch den Lagerring 67 ein aerodynamisches Luftlager zum Abstützen von Axialkräften geschaffen. Die Luft als Schmiermittel, die die Lagerverlustleistung in Form von Wärme aufnimmt, verlässt das Lagergehäuse 80 beispielsweise über einen Ringspalt zwischen dem Elektromotorrotor 78 und dem Elektromotorstator 82 in Richtung gemäß dem Richtungspfeil 90 und wird letztendlich in die Umgebung entlassen.
Die Aufladeeinrichtung 28, 41 gemäß Fig. 2 umfasst weiterhin einen radialen
Keilschaufeldiffusor 96 sowie einen axialen Konusdiffusor 98. Die von dem Verdichterrad 32, 40 zu verdichtende Luft strömt dabei gemäß einem Richtungspfeil 100 in ein
Verdichtergehäuse 102 des Verdichters 30, 38, wird von dem Verdichterrad 32, 40 verdichtet und über eine Verdichterspirale 104 aus dem Verdichtergehäuse 102 ausgeleitet.
Die Fig. 3 zeigt eine von der Fig. 2 unterschiedliche Zuführung der dem Lagerring 66 als Schmiermittel zuzuführenden Luft, wobei eine Abzapfsteile der Luft in die
Verdichterspirale 104 mündet, und wobei der Druck in der Verdichterspirale 104 aufgrund einer Durchströmung der Luft sowohl durch den axialen Konusdiffusor 98 als auch durch den radialen Keilschaufeldiffusor 96 zumindest nahezu einem maximalen Austrittsdruck des Verdichters 30, 38 entspricht. Zuführungskanäle 90 zur Luftversorgung werden durch das Verdichtergehäuse 102, durch den radialen Keilschaufeldiffusor 96 und die entsprechende Wandung des Lagergehäuses 80 geführt und in einen Bereich des Lagerrings 66, welcher auch eine Gleitscheibe darstellt, und der Gleitscheibe 87 geführt. Zur Darstellung einer gewünschten Tragfähigkeit des Axiallagers 76 und insbesondere des Zusammenwirkens des Lagerrings 66 mit der Gleitscheibe 87 ist es vorteilhaft, den Lagerring 66 sowie gegebenenfalls die Gleitscheibe 87 mittels Laserbohrungen oder gezielt porös, eventuell pulvermetallurgisch durch Sintern, entsprechend luftdurchlässig gestalten. Damit ist insbesondere ein Ringbereich in radialer Richtung des Lagerrings 66 gemäß dem Richtungspfeil 74 zwischen dem Innendurchmesser D, und dem
Außendurchmesser Da von Luft durchströmbar.
Die Fig. 4 zeigt das Axiallager 76 für die Aufladeeinrichtung 28, 41 , welche als so genannter Freiläufer ausgebildet ist, wie er beispielsweise als Aufladeeinrichtung 28 zum Einsatz kommt oder für einen Abgasturbolader geeignet sein könnte. Die als
Gleitscheiben ausgebildeten Lagerringe 66 und 67, die auch gemäß in den Fig. 2 und 3 als Gleitscheiben ausgebildet sind, werden in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 70, 72 des Rotors 31 , 39 beidseitig einer drehfest mit der Welle 34, 42 verbundenen Scheibe 106 angeordnet und wirken mit entsprechenden Gleitscheiben 87 zusammen, die an der Scheibe 106 angeordnet und mit dieser fixiert sind, wodurch wiederum aerodynamische Luftlager zur axialen Lagerung des Rotors 31 , 39 dargestellt sind.

Claims

Patentansprüche
Aufladeeinrichtung (28, 41 ) zum Verdichten eines Mediums, insbesondere von Luft, mit einem zumindest ein Verdichterrad (32, 40) umfassenden Rotor (31 , 39), welcher mittels zumindest eines einen inneren Durchmesser (D,) sowie einen äußeren Durchmesser (Da) aufweisenden Lagerrings (66, 67) einer
Lagerungseinrichtung (68) in axialer Richtung (70, 72) des Verdichterrades (30, 40) gelagert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
D
ein Quotient—— aus einem aus dem arithmetischen Mittelwert des äußeren
Dy
Durchmessers (Da) und des inneren Durchmessers (D,) gebildeten mittleren Durchmesser Dilx des Lagerings (66) und einem Austrittsdurchmesser Dv des Verdichterrads (30, 40) zumindest im Wesentlichen in einem Bereich von
0,6 < Qz- < 1,4 liegt.
Dy
Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Lagerring (66) mittels einer Schmierstoffversorgungseinrichtung mit zumindest im Wesentlichen flüssigem Schmiermittel schmierbar ist.
Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Lagerungseinrichtung (68) zumindest teilweise als Luftlagerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Lagerring (66, 67) der
Luftlagerungseinrichtung zugeordnet ist.
4. Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Lagering (66, 67) Luft über zumindest einen Luftführungskanal (90) zuführbar ist.
5. Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Luftführungskanal (90) im Bereich eines Radrückens (86) des Verdichterrades (30, 40) angeordnet ist.
6. Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Lagerring (66, 67) in einem Ringbereich in radialer Richtung (74) des Lagerrings (66, 67) zwischen dem inneren Durchmesser (D,) und dem äußeren Durchmesser (Da) zumindest bereichsweise luftdurchlässig ausgebildet ist.
7. Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach einem der Ansprüche 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Luftführungskanal (90) in einen Spiralkanal (104) der
Aufladeeinrichtung (28, 41 ) mündet.
8. Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein zweiter Lagerring (66, 67) vorgesehen ist, wobei mittels des ersten Lagerrings (66) Axialkräfte in eine erste, zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung (70, 72) verlaufende Richtung und mittels des zweiten Lagerrings (67) Axialkräfte in eine zweite, entgegengesetzt zur ersten Richtung verlaufende Richtung aufnehmbar sind.
9. Antriebsstrang für einen Kraftwagen mit zumindest einer Aufladeeinrichtung (28, 41 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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