WO2024056134A1

WO2024056134A1 - Abgasführungsabschnitt eines abgasturboladers und abgasturbolader

Info

Publication number: WO2024056134A1
Application number: PCT/DE2023/100686
Authority: WO
Inventors: Dietmar FILSINGER; Johannes RATZ; Saŝa SLAVIĆ
Original assignee: Ihi Charging Systems International Gmbh
Priority date: 2022-09-15
Filing date: 2023-09-13
Publication date: 2024-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt (2) eines Abgasturboladers (1), umfassend einen Spiralkanal (6), welcher ein drehbar im Abgasführungsabschnitt (2) aufgenommenes Turbinenrad (3) eines Laufzeugs (4) des Abgasturboladers (1) zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist, und wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mit einem Abgaskanal eines Antriebsaggregats durchströmbar verbunden ist, wobei Abgas des Antriebsaggregats den Abgasführungsabschnitt (2) durchströmbar ist, und wobei zur Wasserabscheidung von Wasser aus dem Abgas im Abgasführungsabschnitt (2) ein den Spiralkanal (6) zumindest teilweise umfassender Nebenkanal (11) ausgebildet ist, wobei der Nebenkanal (11) durchströmbar mit dem Spiralkanal (6) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist bezogen auf eine Längsachse (14) des Laufzeugs (4) in radialer Richtung ein tiefster Punkt (PN) des Nebenkanals (11 ) tiefer angeordnet als ein tiefster Punkt (PS) des Spiralkanals (6), und wobei der Nebenkanal (11) zur Vermeidung einer Störung der Luftströmung im Spiralkanal (6) den Spiralkanal (6) derart umfassend ausgebildet ist, dass ein Strömungsquerschnitt (S) des Spiralkanals (6) ausgehend von einem Spiralkanaleintritt (9) bis zu einer Zunge des Abgasführungsabschnitts (2) stetig ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader.

Description

Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers und Abgasturbolader

Die Erfindung betrifft einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ferner betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader gemäß dem Patentanspruch 15.

Abgasführungsabschnitte für Abgasturbolader aufweisend einen Spiralkanal, welche ein Turbinenrad des Abgasturboladers umfassend angeordnet sind, sind bekannt. Stromauf des Spiralkanals ist eine Zuströmeinrichtung üblicherweise in Form eines Einströmkanals ausgebildet, welcher der Zuführung von Abgas zur Beaufschlagung des Turbinenrades dient. Das Abgas, welches sich bei einer Verbindung des Abgasturboladers mit einer Verbrennungskraftmaschine aus einer Kombination von insbesondere verbrannten Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff zusammensetzt, weist bei einer Verbindung des Abgasturboladers mit einer so genannten Brennstoffzelle einen im Vergleich zur Verbrennungskraftmaschine hohen Anteil an Wasser, in Form von mehr oder weniger großen Tröpfchen auf. Dieses Wasser kann zu Schäden an dem Turbinenrad und am Abgasführungsabschnitt selbst führen. Daher gilt es das Wasser des Abgases insbesondere stromauf des Turbinenrades zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.

So geht aus der Offenlegungsschrift DE 10 2017 006 143 A1 ein Abgassystem für ein Brenn Stoffzellen system hervor, welches eine Abgasturbine besitzt, wobei zur Abtrennung von flüssigem Wasser ein Vlies stromauf des Abgasführungsabschnitts der Abgasturbine an einer Innenwandung einer das Brennstoffzellensystem mit der Abgasturbine verbindenden Abgasleitung angebracht ist.

Aus der Offenlegungsschrift EP 3 920 288 A1 ist ein Abgasturbolader aufweisend einen Abgasführungsabschnitt und einen Frischluftführungsabschnitt bekannt, wobei im Abgasführungsabschnitt ein Rezirkulationspfad stromauf des Turbinenrades ausgebildet ist, wobei der Rezirkulationspfad einen stromauf des Turbinenrades ausgebildeten Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts mit einem das Turbinenrad drehbar aufnehmenden Abschnittsraum des Abgasführungsabschnitts durchströmbar verbindet.

Aus der Druckschrift DE 10 2015207 679 A1 geht ein Abgasführungsabschnitt einer Turbine hervor, wobei eine im Abgasführungsabschnitt ausgebildeter Spiralkanal, welcher stromauf eines Turbinenrades der Turbine ausgebildet ist, eine Rinne mit einem Auslasskanal aufweist. Mit Hilfe der Rinne soll eine Tertiärströmung, welche entgegengesetzt zu einer in dem Spiralkanal ausgebildeten Sekundärströmung ist, erzeugt werden. Die Sekundärströmung ist orthogonal zu einer Hauptströmung, welche sich in Umfangsrichtung des Spiralkanals erstreckt, ausgebildet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers bereitzustellen, wodurch eine Zuströmung von Wasser in den Spiralkanal und in das Turbinenrad zumindest reduziert werden kann. Die weitere Aufgabe ist es einen verbesserten Abgasturbolader anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein erfindungsgemäßer Abgasführungsabschnitt eines Abgasturboladers umfasst einen Spiralkanal, welcher ein drehbar im Abgasführungsabschnitt aufgenommenes Turbinenrad eines Laufzeugs des Abgasturboladers zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist, und wobei der Abgasführungsabschnitt mit einem Abgaskanal eines Antriebsaggregats durchströmbar verbunden ist, wobei Abgas des Antriebsaggregats den Abgasführungsabschnitt durchströmbar ist. Zur Wasserabscheidung von Wasser aus dem Abgas ist im Abgasführungsabschnitt ein den Spiralkanal zumindest teilweise umfassender Nebenkanal ausgebildet, wobei der Nebenkanal durchströmbar mit dem Spiralkanal verbunden ist. Erfindungsgemäß ist bezogen auf eine Längsachse des Laufzeugs in radialer Richtung ein tiefster Punkt des Nebenkanals tiefer angeordnet als ein tiefster Punkt des Spiralkanals. Das bedeutet, dass bereits eine hinreichende Wasserabscheidung aufgrund der allgemeinen Trägheit realisiert werden kann, da das Wasser, welches insbesondere bei großen Tropfen nicht oder nur mäßig einer im Spiralkanal ausgebildeten Strömung folgt, sich im relativ zum Spiralkanal angeordneten Nebenkanal auf einfache Weise ansammeln kann. Somit ist ein Abgasführungsabschnitt realisiert, welcher zur Herbeiführung eines betriebssicheren Abgasturboladers ausgebildet ist.

Der Nebenkanal ist den Spiralkanal in einem Umfangsbereich umfassend ausgebildet, wobei er nicht den Spiralkanal vollständig umfassend ausgeführt sein muss, jedoch kann. Das Wasser wird sich aufgrund seiner Schwerkraft immer am tiefsten Punkt des Nebenkanals beginnen zu sammeln, somit ist bevorzugt bei einer Anordnung der Horizontalebene durch eine Längsachse des Laufzeugs der Umfangsbereich überwiegend unterhalb der Horizontalebene ausgebildet.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts ist zwischen dem Nebenkanal und dem Spiralkanal ein durchlässiges Zwischenelement angeordnet. Das heißt mit anderen Worten, dass der Nebenkanal teilweise gegenüber dem Spiralkanal abgedeckt ist. Das Zwischenelement ist derart ausgebildet, dass zumindest das Wasser über das Zwischenelement in den Nebenkanal gelangen kann, die den Spiralkanal durchströmende Abgasströmung im übrigen jedoch nicht oder zumindest nicht wesentlich auf ihrem Weg in das Turbinenrad bezüglich ihrer Strömungsrichtung verändert wird.

Zur Vermeidung eines Rückströmens des Wassers in den Spiralkanal ist der Nebenkanal derart angeordnet, dass zwischen einem ersten Schwerpunkt des Spiralkanals und einem zweiten Schwerpunkt des Nebenkanals ein radialer Abstand und/oder ein axialer Abstand ausgebildet ist. Bevorzugt weist der Nebenkanal eine Austrittsöffnung zur Entfernung des Wassers aus dem Abgasführungsabschnitt auf, wobei die Austrittsöffnung insbesondere an einer bezogen auf die Horizontalebene tiefsten Stelle des Nebenkanals zur verbesserten Wasserabfuhr angeordnet ist.

Weiter bevorzugt ist die Austrittsöffnung einem im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten Austrittskanal zugeordnet, damit ein Abfließen des Wassers auf einfache Weise erfolgen und insbesondere, beispielsweise mit Hilfe eines entsprechend ausgebildeten, im Austrittskanal aufgenommenen Mittels geregelt werden kann.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts weist die Austrittsöffnung ein Ventil auf, welches insbesondere in Form eines Siphons ausgeführt ist. Das heißt, dass das Ventil selbstregelnd, oder mit anderen Worten passiv funktionierend ist, derart, dass eine sichere Abdichtung des Nebenkanals gegenüber einem Lufteintritt und/oder einem Luftaustritt aufgrund einer geschlossenen freien Oberfläche des Wassers gegeben ist. Um über einen weiten Betriebsbereich des Abgasturboladers passiv funktionieren zu können, kann die freie Oberfläche des Wassers in ihrer Größe variabel gestaltet werden. Eine Druckkraftwirkung auf die freie Oberfläche muss für einen weiten Betriebsbereich mit variierenden Betriebsdrücken im Gleichgewicht mit der Gewichtskraft einer zu verdrängenden Wassersäule stehen. Eine variable freie Oberfläche, welche über einen angepassten zumindest abschnittsweise sich verändernden Querschnittsverlauf des Siphons realisierbar sein könnte, erlaubt dies.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt eine Zuströmeinrichtung, umfassend einen Zuströmabschnitt und einen Strömungsabschnitt, welcher zwischen dem Antriebsaggregat und dem Zuströmabschnitt angeordnet ist. Der Zuströmabschnitt und/oder der Strömungsabschnitt ist gegenüber einer Horizontalebene mit einem Neigungswinkel geneigt ausgebildet, wobei die Horizontalebene im Lot zur Schwerkraft G ausgebildet ist, und wobei der Zuströmabschnitt und/oder der Strömungsabschnitt relativ zum Spiralkanaleintritt „fallend“ angeordnet ist. Das heißt, dass eine Kraftkomponente der Schwerkraft der Tröpfchen in Strömungsrichtung mit der Richtung der Strömung übereinstimmt. Somit wird sichergestellt, dass in jedem Fall eine treibende Kraft für die Tröpfchen in Richtung des Spiralkanals besteht. Es kann sich kein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft der Tropfen und der auf die Tröpfchen wirkenden Kraft aus der Strömung einstellen, was eine unerwünschte, momentane Ansammlung von Wasser an einem Ort der Zuströmeinrichtung ermöglichen würde.

Ein kleiner Wert des Neigungswinkels ist hinreichend. Daher ist der Wert des Neigungswinkels bevorzugt im Wertebereich zwischen -90° und 90°, insbesondere im Wertebereich zwischen -85° bis 85° zu wählen.

Es kann zumindest ein weiteres Mittel zur Wasserabscheidung in der Zuströmeinrichtung angeordnet sein, wodurch ein Wassereintritt in den Abgasführungsabschnitt, insbesondere in den Spiralkanal ergänzend reduziert wird.

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, umfassend einen Abgasführungsabschnitt, welcher ein Turbinenrad drehbar aufnehmbar ausgebildet ist, wobei ein Spiralkanal im Abgasführungsabschnitt das Turbinenrad zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist der Abgasturbolader einen Abgasführungsabschnitt auf, welcher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist. Somit ist ein Abgasturbolader geschaffen, welcher sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer auszeichnet. Neben der Vermeidung von aufgrund der Wassertropfen möglichen Schäden am Abgasführungsabschnitt und am Turbinenrad ist auch bei einem Betrieb eines mit Hilfe eines Elektromotors unterstützten Abgasturboladers eine mögliche Beschädigung des Elektromotors aufgrund von Wassereintritt in diesen vermieden, oder zumindest wesentlich reduziert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 in einem Schnitt den erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitt gern. Fig. 1 ,

Fig. 3 in einem Halbschnitt einen Spiralkanal des Abgasführungsabschnitts gern. Fig. 1 ,

Fig. 4 in einer Seitenansicht einen Spiralkanal des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts gern. Fig. 1 ,

Fig. 5 in einem Schnitt einen Spiralkanal des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts in einem zweiten Ausführungsbeispiel

Fig. 6 in einer Seitenansicht einen Spiralkanal mit einem Turbinenrad gemäß dem Stand der Technik und Differenzierung einer Strömungsanhängigkeit eines Wassertropfens in Abhängigkeit von seiner Größe.

Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist wie in Fig. 1 abgebildet aufgebaut. Der Abgasturbolader 1 umfasst einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt 2, welcher ein Turbinenrad 3 drehbar aufgenommen ausgebildet ist. Das Turbinenrad 3 ist ein Teil eines Laufzeugs 4 des Abgasturboladers 1 , welches ein in einem nicht näher abgebildeten Frischluftführungsabschnitt des Abgasturboladers 1 drehbar aufgenommenes Verdichterrad umfasst. Das Verdichterrad ist mit Hilfe einer Welle 5 drehfest mit dem Turbinenrad 3 verbunden. Der Abgasturbolader 1 steht im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem nicht näher abgebildeten Antriebsaggregat, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Form einer Brennstoffzelle ausgebildet ist, in Verbindung, welchem Frischluft mit Hilfe des Verdichterrades zugeführt wird. Das Abgas der Brennstoffzelle weist einen im Vergleich zu einer Verbrennungskraftmaschine hohen Wasseranteil in Form von Tropfen auf, welche unterschiedlich groß ausgebildet sein können. Das heißt mit anderen Worten, dass der Wasseranteil, im Folgenden als Wasser bezeichnet, kleine Tröpfchen aufweisen kann, welche mit einer in einem Spiralkanal 6 des Abgasführungsabschnitts 2 ausgebildeten Strömung mitgerissen werden, und/oder es können ebenso derart große Tropfen ausgebildet sein, welche sich aufgrund der Schwerkraft in vertikaler Richtung im Abgasführungsabschnitt 2, insbesondere in dem Spiralkanal 6 absetzen.

Der Spiralkanal 6 ist durchströmbar mit einer Zuströmeinrichtung 7 verbunden, welche einen rohrförmigen Zuströmabschnitt 8 umfasst. Der Zuströmabschnitt 8, welcher dem Abgasführungsabschnitt 2 zugeordnet werden kann, ist bevorzugt mit einem zwischen der Brennstoffzelle und dem Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildeten Strömungsabschnitt der Zuströmeinrichtung 7, welcher nicht näher abgebildet ist, durchströmbar verbunden, damit das Abgas der Brennstoffzelle über die Zuströmeinrichtung 7 dem Abgasführungsabschnitt 2, insbesondere dem Turbinenrad 3 zum Antreiben des Laufzeugs 4, aufweisend eine Längsachse 14, geführt werden kann.

Der Spiralkanal 6 zeichnet sich gegenüber dem Zuströmabschnitt 8 dadurch aus, dass ein Strömungsquerschnitt S des Spiralkanals 6 über seine Länge L kontinuierlich abnimmt.

Die Zuströmeinrichtung 7 zeichnet sich dadurch aus, dass zur Wasserabscheidung von Wasser aus dem Abgas der Zuströmabschnitt 8 und/oder der Strömungsabschnitt gegenüber einer Horizontalebene H geneigt ausgebildet ist, wobei ein Neigungswinkel a der Neigung einen Wert aufweist, welcher zwischen -90° und 90° liegt. Oder mit anderen Worten gesagt befindet sich der Neigungswinkel a in einem Wertebereich zwischen -90° und 90°, oder mit weiter anderen Worten gesagt, gilt folgende Ungleichung -90° < a < 90°. Bevorzugt weist der Wertebereich Werte zwischen -85° und 85° auf. Die Horizontalebene H ist im Lot zur allgemein gültigen Schwerkraft G ausgebildet.

Zusätzlich ist zur verbesserten Wirksamkeit der Zuströmeinrichtung 7 die Anordnung des Zuströmabschnitts 8 und/oder des Strömungsabschnitts derart, dass grundsätzlich ein „fallender“ Zuströmabschnitt 8 und/oder ein „fallender“ Strömungsabschnitt realisiert ist. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Strömungsausrichtung des Zuströmabschnitts 8 und/oder des Strömungsabschnitts grundsätzlich ausgehend von einem ersten Niveau N1 auf ein zweites Niveau N2 ausgebildet ist, wobei das Niveau N2 einem Spiralkanaleintritt 9 des Spiralkanals 6 zugeordnet ist, und wobei das erste Niveau N1 in Richtung einer zur Horizontalebene H senkrecht angeordneten Vertikalen V über dem zweiten Niveau N2 anzuordnen ist. Das heißt mit weiter anderen Worten, dass der Spiralkanaleintritt 9 zur Herbeiführung einer fallenden Strömungsrichtung tiefer anzuordnen ist als ein stromauf des Spiralkanaleintritts 9 ausgebildeter Eintrittsquerschnitt 10 des Zuströmabschnitts 8 und/oder des Strömungsabschnitts.

Eine Ausrichtung von Strömungsvektoren f der Zuströmeinrichtung 7 des erfindungsgemäßen Abgasführungsabschnitts 2 ist mit Hilfe von drei verschiedenen Ausführungsbeispielen im Vergleich zu einem Schwerkraftvektor g der Schwerkraft G illustriert. Es ist zu beachten, dass der Strömungsvektor f und der Schwerkraftvektor g der Schwerkraft G nicht in entgegengesetzter Richtung ausgebildet sind, sondern der Neigungswinkel a zwischen den beiden Vektoren f, g ausgebildet ist. Ein bevorzugter Wertebereich des Neigungswinkels a ist zwischen -85° und 85°.

Der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt 2 weist dem Spiralkanal 6 einen Nebenkanal 11 zugeordnet auf, wie er in den Figuren 2 bis 5 illustriert ist. Bezogen auf die Längsachse 14 des Laufzeugs 4 ist in radialer Richtung ein tiefster Punkt PN des Nebenkanals 11 tiefer angeordnet als ein tiefster Punkt PS des Spiralkanals 6. Das heißt mit anderen Worten, dass bevorzugt in Abhängigkeit von einer Anordnung des Abgasturboladers 1 in beispielsweise einem Kraftfahrzeug der Nebenkanal 11 am Spiralkanal 6 anzuordnen ist. Der Nebenkanal 11 befindet sich insbesondere in einem unterhalb der Horizontalebene H liegenden Umfangsbereich 12 des Spiralkanals 6, in welchem sich das Wasser ansammeln kann. Das Wasser kann über eine Austrittsöffnung 13 aus dem Nebenkanal 11 und somit aus dem Abgasführungsabschnitt 2 geführt werden.

Der Nebenkanal 11 ist bevorzugt mit einem axialen Abstand zum Spiralkanal 6 anzuordnen. Das bedeutet, dass ein zweiter Schwerpunkt S2 des Nebenkanals 11 von dem ersten Schwerpunkt S1 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung beabstandet ausgebildet ist. Die Austrittsöffnung 13 ist bevorzugt an einer tiefsten Stelle des Nebenkanals 11 auszubilden, damit bereits aufgrund der Schwerkraft das Wasser aus dem Nebenkanal 11 abfließen kann. Das heißt mit anderen Worten, dass zwischen dem ersten Schwerpunkt S1 und dem zweiten Schwerpunkt S2 ein radialer Abstand r und ein axialer Abstand a vorliegt.

Die grundsätzliche Ausbildung des Nebenkanals 11 bezogen auf seine Länge L und seine Kanalquerschnittsfläche K ist abhängig von der Brennstoffzelle. Das Abgas der Brennstoffzelle weist in Abhängigkeit ihres Aufbaus einen bestimmten Wassergrad auf. Das heißt, dass es Brennstoffzellen gibt, deren Wassergrad weniger hoch ist als der Wassergrad einer anderen Brennstoffzelle. Dies kann bereits innerhalb einer Produktionsreihe auftreten, wobei hier der Wassergrad in einem Toleranzbereich schwankend ist, wobei dies aufgrund hoher Kosten nicht in die grundsätzliche Ausbildung des Nebenkanals 11 einfließen kann.

Jedoch ist in Abhängigkeit der Brennstoffzelle und ihrem Wassergrad der Nebenkanal 11 zu gestalten. So ist bevorzugt bei einer Brennstoffzelle mit einem hohen Wassergrad die Länge L und/oder die Kanalquerschnittsfläche K größer auszubilden als bei einer Brennstoffzelle mit einem geringen Wassergrad.

Es kann auch berücksichtigt werden, dass der Wassergrad des Abgases sich in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle verändert. So weist das Abgas eines niedrigen Betriebspunktes einen geringeren Wassergrad auf als das Abgas eines höheren Betriebspunktes derselben Brennstoffzelle. Es ist bevorzugt den Nebenkanal 11 in Abhängigkeit des Betriebspunktes mit dem größten Wassergrad auszubilden.

Die Austrittsöffnung 13 ist ebenfalls in Abhängigkeit von dem Wassergrad auszubilden. Es ist ein nicht näher abgebildetes Ventil vorgesehen, wobei das Ventil zur Vermeidung eines Lufteintritts in den Spiralkanal 6 und/oder eines Luftaustritts aus dem Spiralkanal 6 ausgebildet ist, damit eine Störung der Luftströmung im Spiralkanal 6 wesentlich reduziert, insbesondere vermieden ist. Es könnte beispielsweise das Ventil einen Gegendruck erzeugend ausgebildet sein. Das Ventil könnte in Form eines Siphons ausgeführt sein.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass grundsätzlich das Wasser eine geschlossene freie Oberfläche gegenüber dem Spiralkanal 6 aufweist, welche bereits gegenüber einem Lufteintritt aus der Austrittsöffnung 13 den Nebenkanal 11 abdichtet. Eine Druckkraftwirkung auf die freie Oberfläche muss für einen weiten Betriebsbereich mit variierenden Betriebsdrücken im Gleichgewicht mit einer Gewichtskraft einer zu verdrängenden Wassersäule stehen. Eine variable Oberfläche, welche über einen angepassten zumindest abschnittsweise sich verändernden Querschnittsverlauf des Siphons realisierbar sein könnte, ermöglicht dies.

Auch könnte im Gegensatz zu dieser passiven Lösung eine aktive Gegendruckgestaltung über Aktuatoren und/ oder Federn realisiert sein, die abhängig vom Betrieb eine Kraftwirkung entfalten, so dass die geschlossene freie Oberfläche über einen weiten Betriebsbereich herbeigeführt werden kann.

Auch könnte ein nicht näher abgebildetes Deckelement, beispielsweise ein Schiebeelement im Nebenkanal 11 ausgebildet sein, welches vor einem Öffnen des Ventils den Spiralkanal 6 vom Nebenkanal 11 trennend zwischen den Spiralkanal 6 und den Nebenkanal 11 positioniert wird. Die Austrittsöffnung 13 könnte in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebspunkt einen entsprechend großen Austrittsquerschnitt ausbildbar ausgeführt sein, somit in ihrem Austrittsquerschnitt veränderbar, bevorzugt regelbar sein. Eine einfache Änderung des Austrittsquerschnitts wäre eine selbstregelnde Änderung, welche beispielsweise mit einer elastischen Blende realisierbar wäre, da die Austrittsöffnung 13 bevorzugt an einer tiefsten Stelle des Nebenkanals 11 angeordnet ist. So könnte sich in Abhängigkeit von der Schwerkraft und in Abhängigkeit von der sich im Nebenkanal 11 angesammelten Wassermenge die Austrittsöffnung 13 selbstregelnd aufweiten oder zusammenziehen. Ebenso könnte das Ventil auch mit dem Betriebspunkt der Brennstoffzelle geregelt werden. Selbstredend kann das Ventil jede mögliche für einen Durchlass des Wassers aus dem Nebenkanal 11 geeignete Form aufweisen.

Die Austrittsöffnung 13 könnte auch in Form eines sich über einen bestimmten Umfang des Nebenkanals 11 erstreckenden Langloches ausgeführt sein. In der Austrittsöffnung 13 ist vorteilhaft das Ventil angeordnet. Die Austrittsöffnung 13 ist einem Austrittskanal 17, welcher im Abgasführungsabschnitt 2 ausgebildet ist, zugeordnet, in welchem das Ventil aufgenommen sein kann. In dem Austrittskanal kann ebenso ein poröses schwammartiges Mittel 18 angeordnet sein, welches einer Vermeidung eines Lufteintritts in den Austrittskanal 17 und damit in die Austrittsöffnung 13 dient. Das heißt mit anderen Worten, dass das Mittel 18, welches auch in Form eines Ventils ausgebildet sein kann, in der Austrittsöffnung 13 oder im Austrittskanal 17, von der Austrittsöffnung 13 beabstandet, positioniert sein kann.

Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Zuströmeinrichtung 7 in ihrem Bereich stromauf des Spiralkanals 6 mit zumindest einem weiteren Mittel zur Wasserabscheidung bestückt sein, welches bereits einen Teil des Wassers aufnehmen kann. Es könnte ein zusätzlicher Wasserabscheider vorgesehen sein. Ebenso könnte zusätzlich ein wasseraufnehmendes Vlies in der Zuströmeinrichtung 7 ausgebildet sein.

In Fig. 5 ist der erfindungsgemäße Abgasführungsabschnitt 2 in einem zweiten Ausführungsbeispiel abgebildet. Zwischen dem Nebenkanal 11 und dem Spiralkanal 6 ist ein Zwischenelement 15 angeordnet, welches durchlässig ausgebildet ist. Dieses Zwischenelement 15 deckt den Nebenkanal 11 zumindest teilweise gegenüber dem Spiralkanal 6 ab. Dieses Zwischenelement 15 ist derart ausgeführt, dass zumindest das Wasser über das Zwischenelement 15 in den Nebenkanal 11 gelangen kann, die den Spiralkanal 6 durchströmende Abgasströmung im übrigen jedoch nicht oder zumindest nicht wesentlich auf ihrem Weg in das Turbinenrad 3 bezüglich ihrer Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil, verändert wird.

Das Zwischenelement 15 weist Durchtrittsöffnungen 16 auf, damit ausgehend vom Spiralkanal 6 die Wassertropfen über das Zwischenelement 15 in den Nebenkanal 11 gelangen können. Die Durchtrittsöffnungen 16 können als Schlitze, in Längs oder Querrichtung ausgebildet sein, sie können in Form von Löchern ausgeführt sein, oder sie können als Durchtrittsöffnungen 16 in einem porösen Material ausgebildet sein. Ebenso könnte das Zwischenelement 15 in Form eines Netzes, aufweisend die Durchtrittsöffnungen 16 ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Zwischenelement 15 in einem nicht näher abgebildeten Rahmen aufgenommen.

In Fig. 6 ist der Spiralkanal 6 gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht abgebildet. Der Seitenansicht überlagert ist eine Strömungsanhängigkeit eines Wassertropfens in Abhängigkeit von seiner Größe eingetragen. So kennzeichnet eine erste Strömungslinie T1, welche gestrichelt eingezeichnet ist, die Strömungsanhängigkeit eines Wassertropfens mit großer Größe im Vergleich zur Strömungsanhängigkeit eines Wassertropfens mit kleiner Größe, welche durch die zweite Strömungslinie T2, welche durchgezogen abgebildet ist, gekennzeichnet ist. Es ist erkennbar, dass kleine Tropfen eine wesentlich größere Strömungsanhängigkeit aufweisen als im Vergleich dazu große Tropfen. Es ist auch erkennbar, dass die großen Tropfen tendenziell eher im unteren Bereich des Spiralkanals 6 vorliegen als im oberen Bereich. Somit ist mit Hilfe des Nebenkanals 11 , welcher im unteren Bereich des Spiralkanals 6 angeordnet ist, eine bevorzugte Wasserabfuhr zu erzielen. Oder mit anderen Worten gesagt: Je größer die Tropfen sind, desto weiter stromauf enden solche Tropfen an einer Wandung des Spiralkanals 6 und können aufgrund der Schwerkraft G nach unten in den Nebenkanal 11 fließen. Kleine Tropfen können mit dieser Art der Wasserabscheidung nicht abgeführt werden. Der Nebenkanal 11 ist zur Vermeidung einer Störung der Luftströmung im Spiralkanal 6 den Spiralkanal 6 derart umfassend ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt S des Spiralkanals 6 ausgehend vom Spiralkanaleintritt 9 bis zu einer Zunge des Abgasführungsabschnitts 2 stetig ausgebildet ist, auch sofern kein Zwischenelement 15 zwischen dem Spiralkanal 6 und dem Nebenkanal 11 ausgebildet ist. Somit ist ein strömungsoptimierter Übergang zwischen dem Spiralkanal 6 und dem Nebenkanal 11 realisiert. Damit kann auf einfache Weise einer Zentrifugalkraft der Wassertropfen Rechnung getragen werden, damit sowohl größere als auch kleinere Wassertropfen zuverlässig abgeschieden werden können.

Des Weiteren könnte auch der Spiralkanal 6 über einem größeren Umfang, insbesondere größer als 90°, vom Nebenkanal 11 umfasst sein, so dass beispielsweise das einer Zunge des Spiralkanals 6 näherliegende Ende des Nebenkanals 11 näher an der Zunge positioniert ist. Der Nebenkanal 11 kann in Abhängigkeit von einem Einbau des Abgasturboladers 1 am Spiralkanal 6 angeordnet werden. Damit kann auf weiter einfache Weise der Zentrifugalkraft der Wassertropfen Rechnung getragen werden und eine Kanalanordnung wird so ausgeführt, dass sie hinsichtlich eines erwarteten Tropfenspektrums optimal ist und unerwünschte Wasserfilmströmungen im Spiralkanal 6 vermieden werden.

Bezugszeichenliste

1 Abgasturbolader

2 Abgasführungsabschnitt

3 Turbinenrad

4 Laufzeug

5 Welle

6 Spiralkanal

7 Zuströmeinrichtung

8 Zuströmabschnitt

9 Spiralkanaleintritt

10 Eintrittsquerschnitt

11 Nebenkanal

12 Umfangsbereich

13 Austrittsöffnung

14 Längsachse

15 Zwischenelement

16 Durchtrittsöffnung

17 Austrittskanal

18 Mittel

H Horizontalebene

K Kanalquerschnittsfläche

L Länge

N1 Erstes Niveau

N2 Zweites Niveau

PN Tiefster Punkt Nebenkanal

PS Tiefster Punkt Spiralkanal

R Radius

S Strömungsquerschnitt

51 Erster Schwerpunkt

52 Zweiter Schwerpunkt

T1 Erste Strömungslinie T2 Zweite Strömungslinie

V Vertikale a Axialer Abstand f Strömungsvektor g Schwerkraftvektor r Radialer Abstand a Neigungswinkel

Claims

Patentansprüche Abgasführungsabschnitt (2) eines Abgasturboladers (1 ), umfassend einen Spiralkanal (6), welcher ein drehbar im Abgasführungsabschnitt (2) aufgenommenes Turbinenrad (3) eines Laufzeugs (4) des Abgasturboladers (1 ) zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist, und wobei der Abgasführungsabschnitt (2) mit einem Abgaskanal eines Antriebsaggregats durchströmbar verbunden ist, wobei Abgas des Antriebsaggregats den Abgasführungsabschnitt (2) durchströmbar ist, und wobei zur Wasserabscheidung von Wasser aus dem Abgas im Abgasführungsabschnitt (2) ein den Spiralkanal (6) zumindest teilweise umfassender Nebenkanal (11 ) ausgebildet ist, wobei der Nebenkanal (11 ) durchströmbar mit dem Spiralkanal (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf eine Längsachse (14) des Laufzeugs (4) in radialer Richtung ein tiefster Punkt (PN) des Nebenkanals (11 ) tiefer angeordnet ist als ein tiefster Punkt (PS) des Spiralkanals (6), und wobei der Nebenkanal (11 ) zur Vermeidung einer Störung der Luftströmung im Spiralkanal (6) den Spiralkanal (6) derart umfassend ausgebildet ist, dass ein Strömungsquerschnitt (S) des Spiralkanals (6) ausgehend von einem Spiralkanaleintritt (9) bis zu einer Zunge des Abgasführungsabschnitts (2) stetig ausgebildet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Nebenkanal (11 ) und dem Spiralkanal (6) ein durchlässiges Zwischenelement (15) angeordnet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung einer Horizontalebene (H) durch die Längsachse (14) ein Umfangsbereich (12) überwiegend unterhalb der Horizontalebene (H) ausgebildet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten Schwerpunkt (S1) des Spiralkanals (6) und einem zweiten Schwerpunkt (S2) des Nebenkanals (11) ein radialer Abstand (r) und/oder ein axialer Abstand (a) ausgebildet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenkanal (11) eine Austrittsöffnung (13) aufweist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (13) einem im Abgasführungsabschnitt (2) ausgebildeten Austrittskanal (17) zugeordnet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (17) ein Mittel (18) aufweist, welches zumindest teilweise luftundurchlässig ausgebildet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (13) an einer tiefsten Stelle des Nebenkanals (11) angeordnet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (13) ein Ventil aufweist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil in Form eines Siphons ausgebildet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wasserabscheidung von Wasser aus dem Abgas eine Zuströmeinrichtung

(7) des Abgasturboladers (1), umfassend einen Zuströmabschnitt (8) und einen Strömungsabschnitt, welcher zwischen dem Antriebsaggregat und dem Zuströmabschnitt (8) angeordnet ist, ausgebildet ist, wobei der Zuströmabschnitt

(8) und/oder der Strömungsabschnitt gegenüber einer Horizontalebene (H) mit einem Neigungswinkel (a) geneigt ausgebildet ist, wobei die Horizontalebene (H) im Lot zur Schwerkraft G ausgebildet ist, und wobei der Zuströmabschnitt (8) und/oder der Strömungsabschnitt relativ zum Spiralkanaleintritt (9) „fallend“ angeordnet ist. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert des Neigungswinkels (a) in einem Wertebereich zwischen -90° und 90° liegt. Abgasführungsabschnitt (2) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wertebereich Werte von -85° bis 85° umfasst. Abgasführungsabschnitt (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Spiralkanals (6) zumindest ein weiteres Mittel zur Wasserabscheidung in der Zuströmeinrichtung (7) angeordnet ist. Abgasturbolader (1), umfassend einen Abgasführungsabschnitt (2), welcher ein. Turbinenrad (3) drehbar aufnehmbar ausgebildet ist, wobei ein Spiralkanal (6) im Abgasführungsabschnitt (2) das Turbinenrad (3) zumindest teilweise umfassend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasführungsabschnitt (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist.