WO2022243457A1 - Gehäuse eines abgasturboladers mit einem kühlsystem, abgasturbolader und verfahren zum kühlen eines gehäuses eines abgasturboladers - Google Patents

Gehäuse eines abgasturboladers mit einem kühlsystem, abgasturbolader und verfahren zum kühlen eines gehäuses eines abgasturboladers Download PDF

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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • Exhaust gas turbocharger in particular for supercharged internal combustion engines.
  • the invention relates to cooled turbine housings of a single-stage or multi-stage exhaust gas turbocharger.
  • the invention relates to the field of exhaust gas turbochargers, in particular single-stage or multi-stage exhaust gas turbochargers, with a cooled housing, in particular a cooled turbine housing.
  • the invention relates to the field of methods for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger by means of a coolant.
  • Exhaust gas turbochargers are used as standard today to increase the power of an internal combustion engine, with a turbine in the exhaust gas duct of the internal combustion engine and with a compressor upstream of the internal combustion engine.
  • the exhaust gases of the internal combustion engine are expanded in the turbine.
  • the work thus obtained is transferred to the compressor by means of a shaft, which compresses the air supplied to the internal combustion engine.
  • Cooling in particular on the turbine side, is typically carried out by means of cooling water which circulates in a cooling duct in a double-walled housing.
  • the object of the present invention is therefore to provide a housing with cooling and a cooling method with which material fatigue can be reduced or even avoided.
  • a housing of an exhaust gas turbocharger with a cooling system, an exhaust gas turbocharger, and a method for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger by means of a coolant are provided according to the independent claims. Further aspects, advantages and features of the present invention can be found in the dependent patent claims, the description and the accompanying figures. According to one aspect of the invention, a housing is a
  • the cooling system includes a pressure measuring device for measuring an absolute housing internal pressure and an absolute coolant pressure and/or for measuring a differential pressure between the housing internal pressure and the coolant pressure.
  • the cooling system includes at least one controllable element for controlling the coolant pressure.
  • the cooling system includes a control unit that is connected to the pressure measuring device and to the at least one controllable element and configured to Coolant pressure depending on the housing internal pressure and/or the
  • the pressure measuring device is connected to a gas interior of the housing and to a coolant channel of the cooling system.
  • the gas interior is a housing interior of the exhaust gas turbocharger through which exhaust gas can flow.
  • a cooled housing is provided that is improved over the prior art.
  • the housing described herein can reduce or even avoid material fatigue, so that the service life of the housing is increased compared to the prior art.
  • the coolant pressure can be adapted to the internal housing pressure, so that mechanical loads on the housing are minimized and creeping of the housing material can be reduced or even avoided.
  • a force relief for the inner wall of the housing compared to the inner housing pressure can advantageously be provided.
  • the configuration of the housing described herein is particularly advantageous when using materials with low creep resistance at medium temperatures (above 30°C and below the material-dependent transition temperature), for example aluminum or aluminum alloys.
  • an exhaust gas turbocharger with a housing is provided.
  • the housing is a turbine housing, for example of a single-stage or multi-stage exhaust gas turbocharger.
  • An exhaust gas turbocharger e is thus advantageously provided which is improved over the prior art.
  • a third aspect of the invention relates to a method for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger by means of a coolant, the The method includes measuring an absolute housing internal pressure and measuring an absolute coolant pressure in a cooling system for the housing. The method also includes determining a differential pressure between the housing internal pressure and the coolant pressure. Alternatively or additionally, the method includes measuring a
  • Differential pressure between housing internal pressure and coolant pressure Differential pressure between housing internal pressure and coolant pressure.
  • the absolute internal housing pressure and the absolute coolant pressure are measured using a pressure measuring device for measuring the absolute internal housing pressure and the absolute coolant pressure and/or for measuring the differential pressure between the internal housing pressure and
  • Coolant pressure carried out.
  • the pressure measuring device is connected to a gas interior of the housing and to a coolant channel of the cooling system.
  • the gas interior is a housing interior of the exhaust gas turbocharger through which exhaust gas can flow.
  • the method also includes regulating the coolant pressure as a function of the differential pressure.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a housing of an exhaust gas turbocharger with a cooling system as described herein
  • Figures 2 and 3 are schematic views of a housing of an exhaust gas turbocharger with a cooling system according to further herein described embodiments;
  • FIG. 4 shows a schematic view of an exhaust gas turbocharger according to embodiments described herein.
  • FIG. 5 shows a block diagram to illustrate a method for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger by means of a coolant according to the embodiments described herein.
  • the cooling system 10 comprises a pressure measuring device 11 for measuring an absolute Internal housing pressure p 1 and an absolute coolant pressure p 2 .
  • the pressure measuring device 11 is configured to measure a differential pressure ⁇ p between the internal housing pressure p 1 and the coolant pressure p 2 .
  • the cooling system 10 includes at least one controllable element 13 for controlling the coolant pressure p 2.
  • the cooling system 10 also includes a control unit 14, which is connected to the pressure measuring device 11 and the at least one controllable element 13 and is configured to determine the coolant pressure p 2 as a function of the housing internal pressure p 1 and/or depending on the differential pressure ⁇ p,
  • the pressure measuring device 11 is connected to a gas interior 21 of the housing and to a coolant channel 17 of the cooling system 10 .
  • the gas interior 21 is a housing interior of the exhaust gas turbocharger through which exhaust gas can flow.
  • the coolant duct 17 is typically a duct through which coolant can flow, which is provided in a housing, in particular a housing wall.
  • the coolant can be water, for example.
  • the pressure measuring device 11 includes a first pressure sensor 111 for measuring the absolute housing internal pressure pj, as shown in FIG. 2 by way of example.
  • the first pressure sensor 111 is provided with a gas interior 21 of the Housing 20 connected.
  • the pressure measuring device 11 also includes a second pressure sensor 112 for measuring the absolute coolant pressure p 2 .
  • the second pressure sensor 112 is typically connected to a coolant channel 17 of the cooling system 10 .
  • the second pressure sensor 112 can be provided at a coolant outlet 16 or a coolant inlet 15 of the cooling system 10 .
  • the second pressure sensor 112 can be connected to the coolant outlet 16 and/or the coolant inlet 15, as is shown by way of example in FIG.
  • the coolant outlet 16 and/or the coolant inlet 15 can be part of the coolant channel 17 .
  • Dnick measuring device 11 has a third pressure sensor 113 for measuring the differential pressure ⁇ p between the housing internal pressure p 1 and the coolant pressure p 2 , as shown in FIGS. 2 and 3 by way of example.
  • the pressure measuring device 11 exclusively the third pressure sensor 113 for measuring the differential pressure ⁇ p between the housing internal pressure p 1 and the coolant pressure p 2 , as shown in FIGS. 2 and 3 by way of example.
  • the pressure measuring device 11 exclusively the third pressure sensor 113 for
  • Measuring the differential pressure ⁇ p may have.
  • the third pressure sensor 113 when the third pressure sensor 113 is used, the first pressure sensor 111 and the second pressure sensor 112 can be omitted.
  • embodiments with the three pressure sensors described herein i.e. with the first pressure sensor 111, the second pressure sensor 112, and the third pressure sensor 113) are also possible,
  • the at least one controllable element 13 is provided on a coolant inlet 15 and/or on a coolant outlet 16, as shown in FIG. 1 by way of example.
  • the at least one controllable element 13 comprises a valve and/or an orifice and/or a pump in order to control a coolant flow regulate.
  • the at least one controllable element 13 can include one or more elements selected from the group consisting of one or more valves, one or more orifices, and one or more pumps.
  • the housing 20 is a double-walled housing, a coolant channel 17 being provided between the walls of the double-walled housing.
  • the coolant channel 17 is typically configured such that the coolant can flow from the coolant inlet 15 to the coolant outlet 16 between the walls of the double-walled housing.
  • the coolant channel 17 is formed by an inner housing wall 20A and an outer housing wall 20B, as shown in FIGS.
  • the coolant channel 17 typically forms a coolant jacket, e.g., water jacket, surrounding the gas interior 21 of the housing.
  • the double-walled housing can be integral, i.e. one-piece, or consist of several elements.
  • the housing is made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the coolant pressure control described herein is particularly advantageous for aluminum or aluminum alloy housings, which are more susceptible to creep compared to steel housings.
  • the cooling system can further comprise a temperature measuring device 18 for measuring a coolant temperature.
  • the temperature measuring device 18 is connected to the control unit 14 .
  • the temperature measuring device 18 comprises at least one Temperature sensor 181, which is provided at a coolant outlet 16 or a coolant inlet 15 of the cooling system 10, or with the
  • Coolant outlet 16 and/or the coolant inlet 15 is connected, as shown by way of example in FIG.
  • the exhaust gas turbocharger 30 can be a single-stage or multi-stage exhaust gas turbocharger comprising a turbine wheel 32 (or several turbine wheels) and a compressor wheel 31 (or several compressor wheels) which are connected to one another by means of a drive shaft 33 .
  • the exhaust gas turbocharger 30 includes a housing 20 with a collision system 10 according to the embodiments described herein.
  • the housing 20 with the cooling system 10 described herein can be a turbine housing in which the turbine wheel 32 is arranged.
  • the method 40 comprises measuring (represented schematically by block 41 in Fig. 5) an absolute internal housing pressure p 1 and measuring (represented schematically by block 42 in Fig. 5) an absolute Coolant pressure p 2 in a cooling system 10 for the housing 20, in particular in a coolant channel 17.
  • the method 40 also includes determining (schematically represented by block 43 in Fig. 5) a differential pressure between the housing internal pressure p 1 and the coolant pressure p 2 , as shown schematically in As shown in Fig. 5, the method can alternatively or additionally measure (schematically represented by block 44 in Fig. 5) a differential pressure between the housing internal pressure p 1 and the coolant pressure p 2 include.
  • the absolute internal housing pressure p 1 and the absolute coolant pressure p 2 are measured by means of a pressure measuring device 11 for measuring the absolute internal housing pressure p 1 and the absolute
  • Pressure measuring device 11 is connected to a gas interior 21 of the housing and to a coolant channel 17 of the cooling system 10 .
  • the gas interior 21 is a housing interior through which exhaust gas can flow
  • the method 40 also includes regulating (schematically represented by block 45 in FIG. 5) the coolant pressure p 2 as a function of the differential pressure.
  • the coolant pressure p 2 is regulated as a function of the differential pressure by means of a control unit 14, which is connected to the pressure measuring device 11 and at least one controllable element 13 and is configured to regulate the coolant pressure p 2 as a function of the housing internal pressure p 1 and/or the differential pressure to regulate ⁇ p.
  • the at least one controllable element 13 is configured to control the coolant pressure p 2 .
  • the controlling 45 of the coolant pressure comprises adjusting the coolant pressure p 2 to the
  • the method further comprises measuring (represented schematically by block 46 in Figure 5) a
  • Coolant inlet temperature T 1 and / or a coolant outlet temperature T 1 can thus regulate the
  • coolant inlet temperature T 1 and / or the coolant outlet temperature T 2 include coolant inlet temperature T 1 and / or the coolant outlet temperature T 2 to a target value.
  • the coolant outlet temperature T 2 includes coolant inlet temperature T 1 and / or the coolant outlet temperature T 2 to a target value.
  • the exhaust gas turbocharger is an electric exhaust gas turbocharger.
  • an electric exhaust gas turbocharger comprises an electric power converter which is connected to a turbine and/or a compressor of the exhaust gas turbocharger.
  • An electrical power converter can be understood to mean a power converter that is configured to convert electrical energy into mechanical energy.
  • an electrical power converter can also be understood to mean a power converter that is configured to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the electrical power converter can be an electric motor and/or a generator.
  • the electrical energy for the electrical power converter can be provided by a fuel cell, for example.
  • the exhaust gas turbocharger comprises an electrical power converter that is connected to a turbine and/or a compressor of the exhaust gas turbocharger, wherein the electrical power converter can be connected to a fuel cell.
  • the exhaust gas turbocharger is used to charge a fuel cell.
  • the exhaust gas turbocharger can be connected to a fuel cell in order to charge the fuel cell.
  • Another aspect of the invention relates to the use of an exhaust gas turbocharger according to the embodiments described herein for fuel cell applications.
  • an improved housing of an exhaust gas turbocharger with a cooling system an improved exhaust gas turbocharger, and an improved method for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger are advantageously provided.
  • the embodiments described herein can reduce or even avoid material fatigue due to temperature and pressure loads, so that the service life of the embodiments described herein is increased compared to the prior art.
  • the coolant pressure can be adapted to the internal housing pressure in such a way that mechanical loads on the housing are minimized and creep of the housing material is reduced or even avoided can be.
  • Method for cooling a housing of an exhaust gas turbocharger 41 Method step: measuring a gas pressure

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse (20) eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem (10). Das Kollisystem (10) umfasst eine Druckmess Vorrichtung (11) zum Messen eines absoluten Gehäuseinnendrucks (pj)end eines absoluten. Kühlmitteldrucks (pa) und/oder zum Messen eines Differenzdruck (Δρ) zwischen Gehäuseinnendruck (pi) und Kühlmitteldruck (pa). Zusätzlich umfasst das Ktihlsystem (10) mindestens ein regelbares Element (13) zum Kegeln des Kühlmitteldrucks (pa). Ferner umfasst das Kühlsystem (10) eine Regeleinheit (14), die mit der Druckmessvorrichtung (11) und dem mindestens einem regelbaren Element (13) verbunden und..konfiguriert ist, um den Kühlmitteldruck (pi) in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks (pi) und/oder des Differenzdrucks (Ap) zu regeln. Die Druckmessvorrichtung (11) ist mit einem Gasinnenraum (21.) des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal (17) des Kollisystems (10) verbunden. Der Gasinnenraum (21) ist ein von. Abgas durchströmbarer Gehiuseinnenraum des Abgasturboladers. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader mit einem hierin beschriebenen Gehäuse und ein Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers.

Description

GEHÄUSE EINES ABGASTURBOLADERS MIT EINEM KÜHLSYSTEM, ABGASTURBOLADER UND VERFAHREN ZUM KÜHLEN EINES GEHÄUSES EINES ABGASTURBOLADERS
TECHNISCHES GEBIET [0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der gekühlten Gehäuse für
Abgasturbolader, insbesondere für aufgeladene Brennkraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung gekühlte Turbinengehäuse eines ein- oder mehrstufigen Abgasturboladers. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf das Gebiet der Abgasturbolader, insbesondere der ein- oder mehrstufigen Abgasturbolader, mit einem gekühlten Gehäuse, insbesondere gekühltem Turbinengehäuse. Ferner bezieht sich die Erfindung auf das Gebiet der Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers mittels eines Kühlmittels.
TECHNISCHER HINTERGRUND [0002] Für die Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine werden heutzutage standardmäßig Abgasturbolader eingesetzt, mit einer Turbine im Äbgastrakt der Verbrennungskraftmaschine und mit einem der Verbrennungskraftmaschine vorgelagerten Verdichter, Die Abgase der Brennkraftmaschine werden dabei in der Turbine entspannt. Die dabei gewonnene Arbeit wird mittels einer Welle auf den Verdichter übertragen, welcher die der Brennkraftmaschine zugeführte Luft verdichtet. Durch die Verwendung der Energie der Abgase zur Verdichtung der dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zugeführten Luft, können der Verbrennungsprozess und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine optimiert werden. [0003] Bei wassergekühlten Turboladern werden diese üblicherweise über den Nieder- oder Hochtemperaturkreislauf des angeschlossenen
Verbrennungsmotor gekühlt. Die Kühlung, insbesondere der Turbinenseite, erfolgt typischerweise mittels Kühlwasser das in einem Kühlkanal eines doppelwandigen Gehäuses zirkuliert.
[0004] Es hat sich herausgestellt, dass bei derart gekühlten Gehäusen nach einer gewissen Betriebsdauer Materialermüdungserscheinungen auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Gehäuse mit einer Kühlung als auch ein Kühlverfahren bereitzustellen, mit welchen Materialermüdungserscheinungen verringert oder sogar vermieden werden können.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0005] Zur Lösung der obengenannten Aufgaben werden ein Gehäuse eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem, ein Abgasturbolader, und einVerfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers mittels einesKühlmittels gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Figuren zu entnehmen. [0006] Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse eines
Abgasturboladers mit einem Kühlsystem bereitgestellt. Das Kühlsystem umfasst eine Druckmessvorrichtung zum Messen eines absoluten Gehäuseinnendrucks und eines absoluten Kühlmiteldrucks und/oder zum Messen eines Differenzdruck zwischen Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck. Zusätzlich umfasst das Kühlsystem mindestens ein regelbares Element zum Regeln des Kühlmitteldrucks. Ferner umfasst das Kühlsystem eine Regeleinheit, die mit der Druckmessvorrichtung und mit dem mindestens einen regelbaren Element verbunden und konfiguriert ist, um den Kühlmitteldruck in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks und/oder des
Differenzdrucks zu regeln. Die Dmckmessvorrichtung ist mit einem Gasinnenraum des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal des Kühl Systems verbunden. Der Gasinnenraum Ist ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des Abgasturboladers,
[0007] Somit wird vorteilhafterweise ein gekühltes Gehäuse bereitgestellt, dass gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Insbesondere können durch das hierin beschriebene Gehäuse Materialermüdungserscheinungen verringert oder sogar vermieden werden, so dass die Betriebsdauer der Gehäuse im Vergleich zum Stand der Technik erhöht ist. Durch das Bereitstellen einer Regelung des Kühlmiteldmcks in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks und/oder des Differenzdrucks kann der Kühlmitteldruck an den Gehäuseinnendruck angepasst werden, so dass mechanische Belastungen auf das Gehäuse minimiert werden und Kriechen des Gehäusematerials verringert oder sogar vermieden werden kann. Mit anderen Worten, durch das Vorsehen einer Kühlmitteldruckregelung kann vorteilhafterweise eine Kraftentlastung für die Gehäuseinnenwand gegenüber dem Gehäuseinnendruck bereitgestellt werden. Demnach ist Konfiguration des hierin beschriebenen Gehäuses besonders vorteilhaft bei der Verwendung von Werkstoffen mit niedriger Kriechfestigkeit bei mittleren Temperaturen (über 30°C und unterhalb der werkstoffabhängen Übergangstemperatur), beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierungen,
[0008] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Abgasturbolader mit einem Gehäuse gemäß hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen bereitgestellt. Insbesondere, ist das Gehäuse ein Turbinengehäuse, beispielsweise eines ein- oder mehrstufigen Abgasturboladers, Somit wird vorteilhafterweise ein Abgasturbolader e bereitgestellt, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
[0009] Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers mitels eines Kühlmittels, Das Verfahren umfasst ein Messen eines absoluten Gehäuseinnendrucks und Messen eines absoluten Kühlmitteldrucks in einem Kühlsystem für das Gehäuse, Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines Differenzdrueks zwischen Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren ein Messen eines
Differenzdrucks zwischen Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck. Das Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks und das Messen des absoluten Kühlmitteldrucks wird mitels einer Druckmessvorrichtung zum Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks und des absoluten Kühlmiteldracks und/oder zum Messen des Differenzdruck zwischen Gehäuseinnendruck und
Kühlmitteldruck durchgeführt. Die Druckmessvorrichtung ist mit einem Gasinncnraum des Gehäuses und mit einem Kühlmitelkanal des Kühlsystems verbunden. Der Gasinnenraum ist ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des Abgasturboladers. Ferner umfasst das Verfahren ein Regeln des Kühlmiteldracks in Abhängigkeit des Differenzdrucks, Somit wird vorteilhafterweise ein Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers bereitgestellt, mit welchem mechanische Belastungen auf das Gehäuse minimiert werden können, so dass beispielsweise ein Kriechen des Gehäusematerials verringert oder sogar vermieden werden kann, KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0010] Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausfiihrangsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Gehäuses eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem gemäß hierin beschriebenen
Ausführungsformen;
Figuren 2 und 3 schematische Ansichten eines Gehäuses eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem gemäß weiteren hierin beschriebenen Ausführungsformen;
Figur 4 eine schematische Ansicht eines Abgasturboladers gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen; und
Figur 5 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers mitels eines Kühlmitels gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0011] Im Folgenden werden verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, von denen in jeder Abbildung ein oder mehrere Beispiele dargestellt sind. Jedes Beispiel dient der Erläuterung und ist nicht als Einschränkung zu verstehen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform dargestellt oder beschrieben sind, auf oder in Verbindung mit jeder anderen Ausführungsform verwendet werden, um eine weitere Ausfiihmngsform zu erhalten. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenlegung solche Modifikationen und Variationen einschließt.
[0012] In der folgenden Beschreibung der Figuren beziehen sich die gleichen Referenznummern auf die gleichen oder ähnlichen Komponenten. Im Allgemeinen werden nur die Unterschiede in Bezug auf die einzelnen Ausführungsformen beschrieben. Sofern nicht anders angegeben ist, kann sich die Beschreibung eines Teils oder Aspekts in einer Ausführungsform auch auf ein entsprecleodes Teil oder einen entsprechenden Aspekt in einer anderen Ausführungsform beziehen.
[0013] Mit Bezugnahme auf Figur 1 wird ein Gehäuse 20 eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Kühlsystem 10 eine Druckmessvorrichtung 11 zum Messen eines absoluten Gehäuseinnendrucks p1 und eines absoluten Kühlmitteldrucks p2. Alternativ oder zusätzlich ist die Druckmessvorrichtung 11 zum Messen eines Differenzdrucks Δp zwischen Gehäuseinnendruck p1 und Kühlmitteldruck p2 konfiguriert. Ferner umfasst das Kühlsystem 10 mindestens ein regelbares Element 13 zum Regeln des Kühlmitteldrucks p2 Darüber hinaus umfasst das Kühlsystem 10 eine Regeleinheit 14, die mit der Druckmessvorrichtung 11 und dem mindestens einem regelbaren Element 13 verbunden und konfiguriert ist, um den Kühlmitteldruck p2 in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks p1 und/oder in Abhängigkeit des Differenzdrucks Δp zu regeln,
[0014] In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass in der vorliegenden Offenbarung „regeln“ im Sinne der Reglungstechnik zu verstehen ist. Eine Regelung ist ein Zusammenspiel aus stetiger Messung und Steuerung eines Systems in Abhängigkeit einer Vorgabe. Im Unterschied zur Regelung fehlt bei einer Steuerung die Rückwirkung der Ausgangsgrößen auf die Eingangsgrößen. Bei der Regelung gibt es eine Rückwirkung, indem ein ständiger Vergleich von Soll und Ist stattfindet.
[0015] Wie schematisch in Figur 1 dargestellt ist, ist gemäß einer Ausfiihrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfiihningsformen kombiniert werden kann, die Druckmessvorrichtung 11 mit einem Gasinnenraum 21 des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal 17 des Kühlsystems 10 verbunden. Typischerweise ist der Gasinnenraum 21 ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des Abgasturboladers, Der Kühlmittelkanal 17 ist typischerweise ein von Kühlmittel durchströmbarer Kanal der in einem Gehäuse, insbesondere einer Gehäusewand, vorgesehen ist. Das Kühlmitel kann beispielsweise Wasser sein.
[0016] Gemäß einer Ausfiihrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfiihrungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Druckmessvorrichtung 11 eincn ersten Drucksensor 111 zum Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks pj, wie es beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist. Insbesondere ist der erste Drucksensor 111 mit einem Gasinnenraum 21 des Gehäuses 20 verbunden. Die Druckmessvorrichtung 11 umfasst ferner einen zweiten Drucksensor 112 zum Messen des absoluten Kühlmitteldrucks p2. Der zweite Drucksensor 112 ist typischerweise mit einem Kühlmittelkanal 17 des Kühlsystems 10 verbunden. Beispielsweise kann der zweite Drucksensor 112 an einem Kühlmittelauslass 16 oder einem Kühlmitteleinlass 15 des Kühlsystems 10 vorgesehen sein. Insbesondere kann der zweite Drucksensor 112 mit dem Kühlmittelauslass 16 und/oder dem Kühlmitteleinlass 15 verbunden sein, wie es beispielhaft in Figur 3 dargestellt ist. Der Kühlmittelauslass 16 und/oder der Kühlmiteleinlass 15 kann Teil des Kühlmittelkanals 17 sein.
[0017] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die
Dnickmessvorrichtung 11 einen dritten Drucksensor 113 zum Messen des Differenzdrucks Δp zwischen Gehäuseinnendruck p1 und Kühlmitteldruck p2, wie es beispielhaft in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, die Druckmessvorrichtung 11 ausschließlich den dritten Drucksensor 113 zum
Messen des Differenzdrucks Δp aufweisen kann. Mit anderen Worten, bei Verwendung des driten Drueksensors 113 kann auf den ersten Drucksensor 111 und den zweite Drucksensor 112 verzichtet werden. Ausführungsformen mit den drei hierin beschriebenen Drucksensoren (d.h. mit dem ersten Drucksensor 111, dem zweite Drucksensor 112, und dem dritten Drucksensor 113) sind jedoch auch möglich,
[0018] Gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das mindestens eine regelbare Element 13 an einem KüMmitteleiniass 15 und/oder an einem Kühlmittelauslass 16 vorgesehen, wie es beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist. Typischerweise umfasst das mindestens eine regelbare Element 13 ein Ventil und/oder eine Blende und/oder eine Pumpe, um einen Kühlmiteldurchfluss zu regeln. Mit anderen Worten das mindestens eine regelbare Element 13 kann ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem oder mehreren Ventilen, einer oder mehrerer Blenden, und einer oder mehrerer Pumpen umfassen.
[0019] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das Gehäuse 20 ein doppelwandiges Gehäuse, wobei zwischen den Wänden des doppelwandigen Gehäuses ein Kühlmittelkanal 17 bereitgestellt ist. Wie durch die Pfeile in den Figuren schematisch dargestellt ist, ist der Kühlmittelkanal 17 typischerweise derart konfiguriert, dass das Kühlmittel zwischen den Wänden des doppelwandigen Gehäuses vom Kühlmitteleinlass 15 zum Kühlmittelauslass 16 fließen kann. Insbesondere wird der Kühlmittelkanal 17 durch eine Gehäuseinnenwand 20A und eine Gehäuseaußenwand 20B gebildet, wie es in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist. Der Kühlmittelkanal 17 bildet typischerweise einen Kühlmittelmantel, z.B. Wassermantel, der den Gasinnenraum 21 des Gehäuses umgibt. Das doppelwandige Gehäuse kann integral, d.h. einteilig, ausgeführt sein, oder aus mehreren Elementen bestehen.
[0020] Gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, besteht das Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die hierin beschriebene Kühlmitteldruckregelung besonders vorteilhaft für Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierungen sind, da diese im Vergleich zu Gehäusen aus Stahl anfälliger hinsichtlich Kriechen sind.
[0021] Mit Bezugnahme auf Figur 3, kann das Kühlsystem gemäß einer Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfiihningsformen kombiniert werden kann, ferner eine Temperaturmessvorrichtung 18 zum Messen einer Kühlmitteltemperatur umfassen. Typischerweise, ist die Temperaturmessvorrichtung 18 mit der Regeleinheit 14 verbunden. Insbesondere umfasst die Temperaturmessvorrichtung 18 mindestens einen Temperatorsensor 181, der an einem Kühlmitelauslass 16 oder einem Kühlmiteleinlass 15 des Kühlsystems 10 vorgesehen ist, oder mit dem
Kühlmitelauslass 16 und/oder dem Kühlmitteleinlass 15 verbunden ist, wie es beispielhaft n Figur 3 dargestellt ist.
[0022] Mit Bezugnahme auf Figur 4 wird ein Abgasturbolader 30 gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Beispielsweise kann der Abgasturbolader 30 ein einstufiger oder mehrstufiger Abgasturbolader sein, der ein Turbinenrad 32 (oder mehrere Turbinenräder) und ein Verdichterrad 31 (oder mehrere Verdichterräder) umfasst, welche mittels einer Antriebswelle 33 miteinander verbunden sind. Im Fall eines mehrstufigen Abgasturboladers ist jeweils eines der mehreren Turbinenräder mit jeweils einem der mehreren Verdichterräder mit einer Welle verbunden. Wie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist, umfasst der Abgasturbolader 30 ein Gehäuse 20 mit einem Kollisystem 10 gemäß hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen. Insbesondere, kann das Gehäuse 20 mit dem hierin beschriebenen Kühlsystem 10 ein Turbinengehäuse sein, in welchem das Turbinenrad 32 angeordnet ist.
[0023] Mit Bezugnahme auf das Blockdiagramm in Figur 5 wird einVerfahren 40 zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers mittels eines Kühlmittels gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Gemäß einer
Ausfuhrungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Verfahren 40 ein Messen (schematisch dargestellt durch Block 41 in Fig. 5) eines absoluten Gehiuseinnendrucks p1 und ein Messen (schematisch dargestellt durch Block 42 in Fig. 5) eines absoluten Kühlmitteldrucks p2 in einem Kühlsystem 10 für das Gehäuse 20, insbesondere in einem Kühlmittelkanal 17. Ferner umfasst das Verfahren 40 ein Bestimmen (schematisch dargestellt durch Block 43 in Fig. 5) eines Differenzdrucks zwischen Gehäuseinnendruck p1 und Kühlmiteldruck p2, Wie schematisch in Fig. 5 dargestellt kann das Verfahren alternativ oder zusätzlich ein Messen (schematisch dargestellt durch Block 44 in Fig. 5) eines Differenzdrucks zwischen Gehäuseinnendruck p1 und Kühlmitteldruck p2 umfassen. Das Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks p1 und das Messen des absoluten Kühlmitteldrucks p2 wird mittels einer Druckmessvorrichtung 11 zum Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks p1 und des absoluten
Kühlmitteldrucks p1 und/oder zum Messen des Differenzdruck Δp zwischen Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck durchgefuhrt. Die
Druckmessvorrichtung 11 ist mit einem Gasinnenraum 21 des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal 17 des Kühlsystems 10 verbunden. Der Gasinnenraum 21 ist ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des
Abgasturboladers. Ferner umfasst das Verfahren 40 ein Regeln (schematisch dargestellt durch Block 45 in Fig. 5) des Kühlmitteldrucks p2 in Abhängigkeit des Differenzdrucks. Insbesondere wird das Regeln des Kühlmitteldrucks p2 in Abhängigkeit des Differenzdrucks mittels einer Regeleinheit 14 durchgefuhrt, die mit der Druckmessvorrichtung 11 und mindestens einem regelbaren Element 13 verbunden und konfiguriert ist, um den Kühlmitteldruck p2 in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks p1 und/oder des Differenzdrucks Δp zu regeln. Das mindestens eine regelbare Element 13 ist zum Regele des Kühlmitteldrucks p2 konfiguriert.
[0024] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Regeln 45 des Kühlmitteldrucks ein Anpassen des Kühlmitteldrucks p2 an den
Gehäuseinnendrucks p1.
[0025] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werdenkann, umfasst das Verfahren ferner ein Messen (schematisch dargestellt durch den Block 46 in Fig. 5) einer
Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und/oder einer Kühlmittelaustrittstemperatur T1. Das Regeln 43 des Kühlmitteldrucks p2 kann somit ein Regeln der
Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und/oder der Kühlmittelaustrittstemperatur T2 auf einen Zielwert miteinschließen. Beispielsweise kann die
Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und/oder der Kühlmittelaustrittstemperatur T2 über das mindestens eine, hierin beschriebene regelbare Element 13 erflogen. indem mitel des regelbare Elements 13 die Kühlmittelzufiihrungsrate eingestellt wird,
[0026] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Abgasturbolader ein elektrischer Abgasturbolader. Typischerweise umfasst ein elektrischer Abgasturbolader einen elektrischen Leistungswandler der mit einer Turbine und/oder einem Kompressor des Abgasturboladers verbunden ist. Unter einem elektrischen Leistungswandler kann ein Leistungswandler verstanden werden, der konfiguriert ist um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Ferner kann unter einem elektrischen Leistungswandler auch ein Leistlingswandler verstanden werden, der konfiguriert ist um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Demnach kann der elektrische Leistungswandler ein Elektromotor imd/oder ein Generator sein. Die elektrische Energie für den elektrischen Leistungswandler kann beispielsweise von einer Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst der Abgasturbolader einen elektrischen Leistungswandler der mit einer Turbine und/oder einem Kompressor des Abgasturboladers verbunden ist, wobei der elektrischen Leistungswandler mit einer Brennstoffzelle verbunden sein kann.
[0027] Gemäß einer Ausführungsform, die mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird der Abgasturbolader zum Aufladen einer Brennstoffzelle verwendet. Mit anderen Worten, der Abgasturbolader kann mit einer Brennstoffzelle verbunden sein um die Brennstoffzelle aufzuladen.
[0028] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines Abgasturboladers gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen für Brennstoffzellenanwendungen.
[0029] Wie aus den hierin beschriebenen Ausführungsformen hervorgeht, werden gemäß der Erfindung vorteilhafterweise ein verbessertes Gehäuse eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem, eine verbesserter Abgasturbolader, und ein verbessertes Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers bereitgestellt. Insbesondere können durch die hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen Materialermüdungserscheinungen aufgrund von Temperatur- und Druckbelastungen verringert oder sogar vermieden werden, so dass die Lebensdauerdauer der hierin beschriebenen Ausfuhrungsformen im Vergleich zum Stand der Technik erhöht ist. Insbesondere, kann durch das Bereitstellen einer Regelung des Kühlmitteldrucks in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks und/oder des Differenzdrucks zwischen Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck, der Kühlmitteldruck an den Gehäuseinnendruck derart angepasst werden, so dass mechanische Belastungen auf das Gehäuse minimiert werden und Kriechen des Gehäusematerials verringert oder sogar vermieden werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Kühlsystem
11 Dmckmessvorrichtung
111 erster Drucksensor
112 zweiter Drucksensor
113 dritter Drucksensor
13 mindestens ein regelbares Element
14 Regeleinheit
15 Kühlmitteleinlass
16 Kühlmittelauslass
17 Kühlmittelkanal
18 T emperaturmessvorrichtung
181 T emperatursensor
20 Gehäuse
20A Gehäuseinnenwand
20B Gehäuseaußenwand
21 Gasinnenraum des Gehäuses
30 Abgasturbolader
31 Verdichterrad
32 Turbinenrad
33 Antriebswelle
40 Verfahren zum Kühlen eines Gehäuses eines Abgasturboladers 41 Verfahrensschritt: Messen eines Gasdrucks
42 Verfahrensschrit: Messen eines Kühlmitteldrucks
43 Verfahrensschritt: Bestimmen eines Differenzdrucks
44 Verfahrensschritt: Messen eines Differenzdrucks zwischen
Gehäuseinnendruck und Kühlmitteldruck
45 Verfahrensschritt: Regeln des Kühlmitteldrucks in Abhängigkeit des Differenzdrucks
46 Verfahrensschritt: Messen einer Kühlmitteleintrittstemperatur T1 und/oder einer Kühlmittelaustrittstemperatur T2 p1 Gehäuseinnendruck p2 Kühlmitteldruck
Δp Differenzdruck T1 Kühlmitteleintrittstemperatur
T2 Kühlmittelaustrittstemperatur

Claims

ANSPRÜCHE
1 , Gehäuse (20) eines Abgasturboladers mit einem Kühlsystem ( 10), das Kühlsystem (10) umfassend;
- eine Druckmessvorrichtung (11) zum Messen eines absoluten
Gehäuseinnendrucks (p1) und eines absoluten Kühlmitteldrucks ( p2) und/oder zum Messen eines Differenzdruck ( Δp) zwischen
Gehäuseinnendruck (p1) und Kühlmitteldruck ( p2),
- mindestens ein regelbares Element (13) zum Regeln des Kühlmitteldrucks ( p2), und
- eine Regeleinheit (14), die mit der Druckmessvorrichtung (11) und dem mindestens einem regelbaren Element ( 13) verbunden und konfiguriert ist, um den Kühlmitteldruck ( p2) in Abhängigkeit des Gehäuseinnendrucks (p1) und/oder des Differenzdrucks (Δp) zu regeln, wobei die Druckmessvorrichtung (11) mit einem Gasinnenraum (21) des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal (17) des Kühlsystems (10) verbunden ist, und wobei der Gasinnenraum (21) ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des Abgasturboladers ist,
2, Gehäuse (20) nach Anspruch 1 , wobei die Druckmessvorrichtung (11) einen ersten Drucksensor (111) zum Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks (p1) und einen zweiten Drucksensor (112) zum Messen absoluten Kühlmitteldrucks ( p2) umfasst, insbesondere wobei der erste Drucksensor (111) mit einem Gasinnenraum (21) des Gehäuses verbunden ist, und wobei der zweite Drucksensor (112) mit einem Kühlmittelkanal (17) des Kühlsystems (10) verbunden ist.
3, Gehäuse (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Drucksensor (112) an einem Kühlmittelauslass (16) oder einem Kühlmiteleinlass (15) des Kühlsystems (10) vorgesehen ist, oder mit dem Kühlmittelauslass (16) und/oder dem Kühlmitteleinlass (15) verbunden ist.
4. Gehäuse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Druckmessvorrichtung (11) einen dritten Drucksensor (113) zum Messen des Differenzdrucks ( Δp) zwischen Gehäuseinnendruck (p1) und Kühlmitteldruck ( p2) umfasst.
5. Gehäuse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine regelbare Element (13) an einem Kühlmitteleinlass (15) und/oder an einem
Kühlmittelauslass (16) vorgesehen ist.
6. Gehäuse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine regelbare Element (13) ein Ventil und/oder eine Blende und/oder eine Pumpe umfasst, um einen Kühlmitteldurchfluss zu regeln.
7. Gehäuse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse (20) ein doppelwandiges Gehäuse ist und zwischen den Winden des doppelwandigen Gehäuses ein Kühlmittelkanal (17) bereitgestellt ist.
8. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das Kühlsystem ferner umfassend eine Temperaturmessvorrichtung (18) zum Messen einer
Kühlmitteltemperatur, wobei die Temperaturmessvorrichtung (18) mit der Regeleinheit (14) verbunden ist, insbesondere wobei die Temperaturmess Vorrichtung (18) mindestens einen Temperatursensor (181) umfasst, der an einem Kühlmittelauslass (16) oder einem Kühlmitteleinlass (15) des Kühlsystems (10) vorgesehen ist, oder mit dem
Kühlmittelauslass (16) und/oder dem Kühlmitteleinlass (15) verbunden ist.
9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht,
10. Abgasturbolader (30) mit einem Gehäuse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, insbesondere wobei das Gehäuse ein Turbinengehäuse ist, und insbesondere wobei der Abgasturbolader ein ein- oder mehrstufiger Abgasturbolader ist.
11. Abgasturbolader nach Anspruch 10, wobei der Abgasturbolader ein elektrischer Abgasturbolader ist.
12. Abgasturbolader nach Anspruch 10 oder 11 , wobei der Abgasturbolader mit einer Brennstoffzelle verbunden ist um die Brennstoffzelle aufzuladen,
13. Verfahren (40) zum Kühlen eines Gehäuses (20) eines Abgasturboladers mittels eines Kühlmittels, umfassend
- Messen (41) eines absoluten Gehäuseinnendrucks (p1) und Messen (42) eines absoluten Kühlmitteldrucks ( p2) in einem Kühlsystem (10) für das Gehäuse (20) sowie Bestimmen (43) eines Differenzdrucks (Δp) zwischen
Gehäuseinnendruck (p1) und Kühlmitteldruck ( p2), und/oder Messen (44) eines Differenzdrucks (Δp) zwischen Gehäuseinnendruck (p1) und Kühlmitteldruck ( p2), wobei das Messen (41) des absoluten Gehäuseinnendrucks (p1 ) und das Messen (42) des absoluten Kühlmitteldrucks ( p2) mittels einer Druckmess Vorrichtung (11) zum
Messen des absoluten Gehäuseinnendrucks (p1 ) und des absoluten Kühlmitteldrucks ( p2) und/oder zum Messen des Differenzdruck (Δp) zwischen Gehäuseinnendruck (p1 ) und Kühlmitteldruck ( p2) durchgeführt wird, wobei die Druckmessvorrichtung (11) mit einem Gasinnenraum (21) des Gehäuses und mit einem Kühlmittelkanal (17) des Kühlsystems ( 10) verbunden ist, und wobei der Gasinnenraum (21) ein von Abgas durchströmbarer Gehäuseinnenraum des Abgasturboladers ist; und Regeln (45) des Kühlmitteldrucks (p1) in Abhängigkeit des Differenzdrucks (Δp).
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Regeln (45) des Kühlmitteldrucks
( p2) ein Anpassen des Kühlmitteldrucks ( p2) an den Gehäuseinnendrucks (p1) umfasst , Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend Messen (46) einer
Kühlmitteleintritstemperatur ( T1) und/oder einer Kühlmittelaustrittstemperatur (T2), wobei das Regeln (45) des Kühlmiteldrucks ( p2) ein Regeln der Kühlmiteleintrittstemperatur (T1) und/oder der Kühlmittelaustritstemperatur (T 2) auf einen Zielwert miteinschließt.
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