DE10105456A1 - Verdichter, insbesondere für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ein Verdichter weist ein Verdichterrad in einem Strömungskanal und eine Rezirkulationseinrichtung auf, die einen Bypass zum Verdichter-Strömungskanal umfasst. Außerdem ist der Rezirkulationseinrichtung ein Rezirkulationsring zugeordnet, der im Bypass angeordnet ist, das Verdichterrad radial umgreift und eine Mehrzahl über den Umfang gleichmäßig verteilter Strömungskanäle aufweist, welche auf der Innenseite eine mit dem Strömungskanal kommunizierende Einströmöffnung und auf der Außenseite eine mit dem Bypass kommunizierende Abströmöffnung aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 1.

Aus der Druckschrift DE 42 13 047 A1 ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, der einen von einer Abgas­ turbine angetriebenen Verdichter umfasst, welcher zur Erweite­ rung des Verdichter-Arbeitsbereiches mit einer Kennfeld- Stabilisierungsmaßnahme zur Verschiebung der Pumpgrenze und der Stopfgrenze des Verdichters ausgestattet ist. Die Kennfeld- Stabilisierungsmaßnahme besteht aus einem Bypass zum Verdich­ ter-Strömungskanal im Verdichtergehäuse, der sich etwa parallel zum Verdichter-Strömungskanal erstreckt und die Eintrittskante des Verdichterrades überbrückt. Der Bypass hat die Funktion ei­ ner Rezirkulationseinrichtung, durch die im Betrieb des Ver­ dichters ein durch den Verdichter geförderter Teilmassenstrom entgegen der Förderrichtung zurückgeführt werden kann, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters zugunsten eines größeren Ar­ beitsbereiches verschoben wird.

Auch die Stopfgrenze kann zugunsten einer Leistungssteigerung des Verdichters bzw. des Motors verändert werden. Über den By­ pass wird der Strömungsquerschnitt des Verdichter- Strömungskanals vergrößert, so dass zusätzliche Ansaugluft in den Verdichter gefördert werden kann. Dadurch verschiebt sich die Stopfgrenze in Richtung größerer Masseströme.

Die Geometrie des Bypasses hat für die Ausbildung einer Rezir­ kulationsströmung bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Pumpgrenze einen entscheidenden Einfluss. Für eine verbesserte Rückströmung durch den Bypass wurde beispielsweise in der Druckschrift US 4 212 585 vorgeschlagen, den Bypass als das Verdichterrad umgreifenden Ring mit einer Vielzahl von über den Umfang verteilten Strömungskanälen auszubilden, welche einen etwa tangentialen Verlauf in Drallrichtung des Verdichterrades aufweisen, wobei sich jeder Strömungskanal axial über einen Teilabschnitt des Verdichterrades erstreckt und die Verdichter­ rad-Eintrittskante überbrückt, so dass zirkulierende Verbren­ nungsluft axial über die Strömungskanäle in den Bereich vor der Verdichterrad-Eintrittskante rückgeführt werden kann.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch, dass der tangen­ tiale Drall der Rezirkulationsströmung für die Ausbildung und Aufrechterhaltung eines zirkulierenden Massenstromes nur in un­ zureichender Weise genutzt werden kann, weil die Strömungskanä­ le auf ihrer radial außen liegenden Seite verschlossen sind und der in die tangentialen Strömungskanäle einfließende Massen­ strom am Ende der Strömungskanäle entgegen der Einströmrichtung umgelenkt wird.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Verdichter zu schaffen, der mit einfachen konstruktiven Maßnahmen in einem weiten Betriebsbereich betrieben werden kann.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.

Gemäß der Erfindung ist der Rezirkulationseinrichtung zusätz­ lich zu dem Bypass ein Rezirkulationsring zugeordnet, welcher sich im Bypass befindet und das Verdichterrad radial umgreift.

In dem Rezirkulationsring sind eine Mehrzahl von über den Um­ fang gleichmäßig verteilter Strömungskanäle eingebracht, die sich über die radiale Dicke des Rezirkulationsringes erstrecken und jeweils auf der Innenseite eine Einströmöffnung und auf der Außenseite eine Abströmöffnung aufweisen, wobei die Abströmöff­ nung mit dem Bypassraum kommuniziert. Auf diese Weise ist es möglich, dass der rückgeführte Abgasmassenstrom vollständig ra­ dial von innen nach außen durch den Rezirkulationsring geleitet wird und in den Bypassraum einströmt, welcher den Rezirkulati­ onsring radial umgreift. Der in die Rezirkulationseinrichtung eingeführte Massenstrom durchströmt unter dem Einfluss einer zentrifugalen Mitdrallströmung den Rezirkulationsring mit einer Radialkomponente, wird anschließend im ringförmigen Bypassraum gesammelt und schließlich axial in den Verdichter- Strömungskanal zurückgeführt. Es entsteht kein die Mitdrall­ strömung beeinträchtigender Rückstoß.

Der Rezirkulationsring kann als separates Bauteil ausgeführt sein, welches in den Bypass einzuführen ist. Der Rezirkulati­ onsring ist in der Weise dimensioniert, dass im Bypass ein den Rezirkulationsring radial umgreifender Bypassraum zur Aufnahme des rückströmenden Massenstromes verbleibt.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle im Rezirkulationsring sich axial nur über einen Teilabschnitt der axialen Breite des Ringes erstrecken. Dadurch wird eine axiale Abströmung des in den Rezirkulationsring ein­ geleiteten Massenstromes auf der axial geschlossenen Seite des Ringes unterbunden, wodurch eine Abströmung mit radialer Kompo­ nente erzwungen wird. Zweckmäßig sind in den Rezirkulationsring Strömungskanäle eingebracht, die an beiden axialen Seiten des Ringes von Wandabschnitten begrenzt sind, so dass jegliche axi­ ale Zu- und Abströmung verhindert wird. Hierdurch können Strö­ mungsturbulenzen vermieden werden und die Mitdrallströmung, welche durch die Rotation des Verdichterrades erzeugt wird, in optimaler Weise für die radiale Durchströmung des Rezirkulati­ onsringes genutzt werden.

Vorteilhaft ist zumindest ein Teil der Strömungskanäle geradli­ nig ausgebildet, wobei sich diese Ausführung durch eine einfa­ che Herstellung auszeichnet. Zusätzlich oder alternativ kann es aber auch zweckmäßig sein, einen Teil oder alle Strömungskanäle gekrümmt auszuführen, wobei die Krümmungsrichtung der Strö­ mungskanäle vorteilhaft gleich ist wie die Krümmungsrichtung des Verdichterrades. Sowohl bei geradlinigen als auch bei ge­ krümmten Strömungskanälen kann es vorteilhaft sein, zur Verein­ fachung des Herstellungsprozesses einen über die Länge des Strömungskanals konstanten Querschnitt auszubilden. Es kann a­ ber auch zweckmäßig sein, einen sich in Richtung der radialen Außenseite des Rezirkulationsringes verjüngenden Strömungsquer­ schnitt vorzusehen, wodurch ein Düseneffekt für die Rezirkula­ tionsströmung erzielt wird.

Die Strömungskanäle verlaufen bevorzugt in Drallrichtung, wobei die Abströmöffnung gegenüber der Einströmöffnung in Drehrich­ tung des Verdichterrades versetzt angeordnet ist. Es ergibt sich hierdurch ein näherungsweise tangentialer Verlauf der Strömungskanäle mit einer Radialkomponente, wobei die Strö­ mungskanäle mit der Radialrichtung einen Winkel einschließen. Bei einer geradlinigen Ausführung der Strömungskanäle beträgt der Winkel zwischen der Längsachse des Strömungskanals und ei­ ner Tangenten auf der ringförmigen Innenseite des Rezirkulati­ onsringes vorteilhaft etwa 200 bis 60°. Im Falle eines gekrümm­ ten Strömungskanals kann es dagegen zweckmäßig sein, den Gra­ dienten des Strömungskanals im Bereich seiner Einströmöffnung gegenüber der Tangente auf der ringförmigen Innenseite des Re­ zirkulationsringes mit einem Eintrittswinkel von 20° bis 60° und den Gradienten im Bereich der Abströmöffnung gegenüber einer Tangente auf der ringförmigen Außenseite des Rezirkulati­ onsringes mit einem Austrittswinkel zwischen 10° und 50° zu versehen, wobei insbesondere der Austrittswinkel kleiner ist als der Eintrittswinkel und der Austrittswinkel typischerweise einen Wert von etwa 10° und der Eintrittswinkel einen Wert von etwa 60° einnimmt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnun­ gen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Verdichter, dessen Verdich­ terrad von einem Rezirkulationsring umgriffen ist,

Fig. 1a eine vergrößerte Darstellung des Rezirkulationsringes aus Fig. 1,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Schnittlinie II-II aus Fig. 1 auf den Rezirkulationsring und das Verdichterrad, wo­ bei der Rezirkulationsring zur Verdeutlichung der ge­ radlinig ausgebildeten Strömungskanäle teilweise freigeschnitten ist,

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit ge­ krümmten Strömungskanälen,

Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Verdich­ ters mit einem Rezirkulationsring in einer modifi­ zierten Ausführung.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Der in Fig. 1 und ausschnittsweise in Fig. 1a dargestellte Verdichter 1 ist Teil eines Abgasturboladers einer Brennkraftma­ schine und wird von einer Abgasturbine des Abgasturboladers, die im Abgasstrang angeordnet und von den unter Überdruck ste­ henden Abgasen beaufschlagt wird, angetrieben. Der Verdichter 1, der im Ausführungsbeispiel als Radialverdichter ausgeführt ist, befindet sich im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und verdichtet angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Lade­ druck, mit dem die Verbrennungsluft den Brennräumen der Brenn­ kraftmaschine zugeführt wird.

Der Verdichter 1 umfasst ein Verdichterrad 3, welches in einem Verdichter-Strömungskanal 4 im Gehäuse 2 des Verdichters ange­ ordnet ist und über eine Welle 5 von der Turbine des Abgastur­ boladers angetrieben wird. Im Betrieb des Verdichters 1 wird Verbrennungsluft in Pfeilrichtung 6 in den Verdichter- Strömungskanal 4 angesaugt, vom rotierenden Verdichterrad 3 auf den erhöhten Ladedruck verdichtet und über einen Diffusor 7 in Pfeilrichtung 8 in einen Spiralkanal 9 im Gehäuse 2 des Ver­ dichters geleitet, von dem aus die verdichtete Luft üblicher­ weise zunächst in einem Ladeluftkühler gekühlt und anschließend über den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine dem Motoreinlass zugeführt wird.

Im Einströmbereich des Strömungskanals 4 befindet sich im Be­ reich der Verdichterrad-Eintrittskante 10 eine Rezirkulations­ einrichtung 11, welche eine Rezirkulation angesaugter Verbren­ nungsluft entgegen der mit Pfeil 6 gekennzeichneten Hauptströ­ mungsrichtung der Verbrennungsluft in den Verdichter- Strömungskanal 4 ermöglicht, wodurch die Pumpgrenze des Ver­ dichters zugunsten niedrigerer Massenströme verschoben wird, so dass der nutzbare Betriebsbereich des Verdichters vergrößert wird. Die Rezirkulationseinrichtung 11 umgreift ringförmig das Verdichterrad 3 im Bereich nahe der Verdichterrad- Eintrittskante 10. Die Rezirkulationseinrichtung 11 besteht aus einem Bypass 12 und einem Rezirkulationsring 13, welcher im By­ pass 12 angeordnet ist und das Verdichterrad 3 unmittelbar ra­ dial umgreift, jedoch mit seinem Hauptkörper um einen Betrag Δx axial über die Verdichterrad-Eintrittskante 10 übersteht. Der Bypass 12 ist in einem halbseitig offenen Ringflansch 14 ausge­ bildet, welcher den Raum des Bypasses axial nach innen und ra­ dial nach außen begrenzt. Die Rezirkulationseinrichtung 11 er­ möglicht ein Rückströmen eines Teilmassenstromes der angesaug­ ten Verbrennungsluft entsprechend dem Pfeil 15 aus demjenigen Abschnitt des Verdichter-Strömungskanals 4, in welchem das Ver­ dichterrad 3 umläuft, in den Bereich stromauf der Verdichter­ rad-Eintrittskante 10. Hierzu wird zunächst ein Teilmassenstrom durch den Strömungsdrall des umlaufenden Verdichterrades 3 ra­ dial nach außen durch Strömungskanäle 16 im Rezirkulationsring 13 in den Bypass 12 eingeleitet, in welchem der Teilmassenstrom eine Umlenkung in Axialrichtung erfährt und schließlich entge­ gen der Hauptströmungsrichtung gemäß Pfeilrichtung 6 in den stromauf der Eintrittskante 10 gelegenen Abschnitt des Strö­ mungskanals 4 zurückgeführt wird.

Auf Grund des axialen Überstandes um den Betrag Δx des Rezirku­ lationsringes 13 über die Verdichterrad-Eintrittskante 10 in Richtung der Einströmöffnung im Strömungskanal 4 kann im Be­ reich des Überstandes der rückgeführte Teilmassenstrom auch ra­ dial nach innen in den Strömungskanal 4 zurückgeführt werden. Da die Strömungskanäle 16 im Rezirkulationsring 13 axial beid­ seitig begrenzt sind, ist in dieser Ausführung ein axiales Ent­ weichen des rückgeführten Massenstromes nicht möglich.

Wie Fig. 2 zu entnehmen, sind über den Umfang des Rezirkulati­ onsringes 13 gleichmäßig verteilt eine Vielzahl gleichartiger Strömungskanäle 16 vorgesehen, die sich über die radiale Dicke des Rezirkulationsringes 13 erstrecken und auf der radialen In­ nenseite des Ringes Einströmöffnungen 17 und auf der radialen Außenseite des Ringes Abströmöffnungen 18 aufweisen, wobei die Einströmöffnungen 17 unmittelbar mit dem ringraumförmigen Strö­ mungskanal im Bereich des Verdichterrades 3 und die Abströmöff­ nungen 18 unmittelbar mit dem umschließenden, ringförmigen By­ pass 12 kommunizieren. Die geradlinig ausgeführten Strömungska­ näle 16 weisen über ihre gesamte Länge einen konstanten Quer­ schnitt auf. Jede Abströmöffnung 18 eines Strömungskanals 16 ist gegenüber seiner Einströmöffnung 17 in Drehrichtung 19 des Verdichterrades 3 versetzt angeordnet, wodurch sich ein tangen­ tialer Verlauf der Strömungskanäle 16 in Bezug auf einen virtu­ ellen Kreis mit einem Radius ergibt, welcher kleiner ist als der Radius der Innenseite des Rezirkulationsringes 13. Gegen­ über einer Tangente entlang der radialen Innenseite des Rezir­ kulationsringes 13 schließt jeder Strömungskanal 16 einen Ein­ strömwinkel α ein, der in der Größenordnung von etwa 25° liegt. Gegenüber einer Tangente auf der radialen Außenseite des Rezirkulationsringes 13 schließt jeder Strömungskanal 16 einen Abströmwinkel γ auf, der vorzugsweise größer ist als der Ein­ strömwinkel α und etwa 40° beträgt.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, geradlinige Strömungs­ kanäle 16 vorzusehen, die sich im Verlauf von Einströmöffnung 17 zu Abströmöffnung 18 im Querschnitt verjüngen, wodurch eine Düsenwirkung des nach außen geführten Massenstromes erreicht wird.

In Fig. 3 ist eine modifizierte Ausführung eines Rezirkulati­ onsringes 13 dargestellt. Die Strömungskanäle 16 weisen einen gekrümmten Verlauf auf, wobei die Krümmungsrichtung mit der Krümmungsrichtung des Verdichterrades übereinstimmt; Verdich­ terrad und Strömungskanäle sind gleichsinnig ausgerichtet. Je­ der Strömungskanal 16 weist über seinen Verlauf einen konstan­ ten Querschnitt auf, wobei auch hier gegebenenfalls ein sich verjüngender Querschnitt zur Erzielung einer Düsenwirkung vorteilhaft sein kann. Auf Grund des gekrümmten Strömungskanals 16 ist der Einströmwinkel α - gemessen zwischen dem Gradienten des Strömungskanals 16 im Bereich der Einströmöffnung 17 und einer Tangenten auf der radialen Innenseite des Rezirkulations­ ringes - größer als der Abströmwinkel γ - gemessen zwischen dem Gradienten im Bereich der Abströmöffnung 18 und einer Tangenten im Bereich der radialen Außenseite des Rezirkulationsringes -. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Einströmwinkel α etwa 60°, der Abströmwinkel γ etwa 15°.

Fig. 4 zeigt einen Verdichter 1 mit einem Rezirkulationsring 13 als Bestandteil der Rezirkulationseinrichtung 11 in einer modi­ fizierten Ausführung. Der Rezirkulationsring 13 schließt axial mit der Verdichterrad-Eintrittskante 10 des Verdichterrades 3 ab. Im Unterschied zum Rezirkulationsring aus Fig. 1 sind nun­ mehr in zwei axialen Ebenen parallel versetzt erste Strömungs­ kanäle 161 und zweite Strömungskanäle 162 gleichmäßig über den Umfang verteilt im Rezirkulationsring 13 angeordnet. Die der Verdichterrad-Eintrittskante 10 benachbarten Strömungskanäle 162 sind axial in Richtung des Einganges des Verdichter- Strömungskanals 4 offen, so dass der durch die zweiten Strö­ mungskanäle 162 rückgeführte Teilmassenstrom sowohl radial nach außen als auch axial in den Abschnitt des Strömungskanals 4 stromauf des Verdichterrades 3 rückgeführt werden kann. Erste Strömungskanäle 161 und zweite Strömungskanäle 162 sind durch eine axiale Trennwand 20 separiert, wodurch ein unmittelbarer Gasaustausch zwischen ersten und zweiten Strömungskanälen 161 bzw. 162 unterbunden wird und eine ausschließlich radial nach außen gerichtete Abströmung aus den ersten Strömungskanälen 161 erzielt wird. Im Übrigen können sowohl die ersten Strömungska­ näle 161 als auch die zweiten Strömungskanäle 162 in der vorbe­ schriebenen Weise wie in den Fig. 1 bis 3 ausgeführt ausgebil­ det sein.

Bei dem vorbeschriebenen Verdichter kann es sich auch um ein mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebenes Bauteil handeln, dessen Antriebsleistung mittelbar oder unmittelbar von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine abgeleitet wird. Alter­ nativ hierzu ist auch ein motorischer Antrieb, insbesondere ein elektromotorischer Antrieb möglich. Bei einem mechanischen oder motorischen Antrieb kann auf eine Abgasturbine auch verzichtet werden.

Die vorbeschriebenen Ausführungen gelten in analoger Weise auch für Verdichter, die unabhängig von Brennkraftmaschinen einge­ setzt werden.

Claims (14)

1. Verdichter, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem Verdichterrad (3) in einem Verdichter-Strömungskanal (4), und mit einer Rezirkulationseinrichtung (11), die einen Bypass (12) zum Verdichter-Strömungskanal (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationseinrichtung (11) ein Rezirkulationsring (13) zugeordnet ist, der im Bypass (12) angeordnet ist und das Verdichterrad (3) radial umgreift und eine Mehrzahl über den Umfang gleichmäßig verteilter Strömungskanäle (16) aufweist, welche auf der radialen Innenseite des Rezirkulationsringes (13) eine mit dem Verdichter-Strömungskanal (4) kommunizierende Einströmöffnung (17) und auf der radialen Außenseite des Rezir­ kulationsringes (13) eine mit dem Bypass (12) kommunizierende Abströmöffnung (18) aufweisen.

2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) sich axial nur über einen Teilab­ schnitt der axialen Breite des Rezirkulationsringes (13) erstrecken.

3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) einen von der Radialrichtung ab­ weichenden Verlauf aufweisen, wobei die Abströmöffnung (18) ge­ genüber der Einströmöffnung (17) in Drehrichtung (19) des Ver­ dichterrades (3) versetzt ist.

4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) im Bereich ihrer Einströmöffnung (17) einen Gradienten aufweisen, der mit einer Tangente auf der ringförmigen Innenseite des Rezirkulationsringes (13) einen Eintrittswinkel (α) von maximal 90° einschließt.

5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittswinkel (α) 20° bis 60° beträgt.

6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) im Bereich ihrer Abströmöffnung (18) einen Gradienten aufweisen, der mit einer Tangente auf der ringförmigen Außenseite des Rezirkulationsringes (13) einen Austrittswinkel (γ) zwischen 10° und 50° einschließt.

7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) geradlinig ausgebildet sind.

8. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) gekrümmt ausgebildet sind.

9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationsring (13) axial über die Verdichterrad- Eintrittskante (10) übersteht.

10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rezirkulationsring (13) axial hintereinanderliegend in zumindest zwei Ringebenen Strömungskanäle (161, 162) vorge­ sehen sind.

11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Strömungskanäle (162) über zumin­ dest einen radial außenliegenden Abschnitt auf der axial dem Verdichter-Strömungskanal (4) zugewandten Seite axiale Kommuni­ kationsöffnungen aufweist.

12. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Strömungskanäle (16) gleichartig ausgebildet sind.

13. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) einen über ihre Länge konstant bleibenden Querschnitt aufweisen.

14. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (16) in Richtung ihrer Abströmöffnung (18) einen sich verjüngenden Querschnitt aufweisen.