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Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
gemäß Anspruch
1.
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Der
Auswahl eines geeigneten, zur Brennkraftmaschine passenden Abgasturboladers
sind einige Grenzen gesetzt. Unter anderem wird der Betriebsbereich
des Abgasturboladers von einer sogenannten Pumpgrenze beschränkt. Die
Pumpgrenze stellt eine strömungsmechanische
Grenze dar, welche einen luftdurchströmbaren Teil des Abgasturboladers
betrifft, der stromauf der Brennkraftmaschine in einem der Brennkraftmaschine
zugeordneten Ansaugtrakt vorgesehen ist. Dieser luftdurchströmbare Teil
umfasst ein Luftführungsabschnitt
eines Gehäuses
des Abgasturboladers sowie ein in dem Luftführungsabschnitt angeordnetes
Verdichterrad eines Laufzeugs des Abgasturboladers und wird im Weiteren
als Verdichter bezeichnet.
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Ein
Betriebsbereich des Verdichters kann an einem sogenannten Blasprüfstand ermittelt
und grafisch dargestellt werden. Im Allgemeinen zeichnet sich die
grafische Darstellung des Betriebsbereichs, das sogenannte Kennfeld,
dadurch aus, dass ein am Verdichterrad anliegendes normiertes Druckverhältnis als
Funktion eines geförderten
normierten Massenstromes aufgetragen ist. Die Pumpgrenze beschreibt
in diesem Kennfeld die Grenze hin zu kleinen Massenströmen, wobei
sich die Pump grenze zu höheren
Druckverhältnissen
hin in die Richtung höherer
Massenströme
verschiebt. Strömungsmechanisch
betrachtet, erfolgt bei Überschreiten
der Pumpgrenze ein diskontinuierliches Fördern, welches durch Pumpen
abgelöst
wird, wobei bei längerem
Betrieb Materialschäden
am Verdichterrad auftreten. Der physikalische Hintergrund ist eine
Ablösung
einer Grenzschicht der Strömung,
welche an einer Saugseite der Schaufeln ausgebildet ist.
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Allgemeine
Bemühungen
sind es, die Pumpgrenze hin zu niedrigeren Massenströmen zu verschieben,
wobei unterschiedliche Maßnahmen
möglich
sind.
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Eine
Möglichkeit
besteht in einer entsprechenden Ausgestaltung von Schaufeln des
Verdichterrades. Eine sogenannte Rückwärtskrümmung der Schaufeln, wie sie
heute üblicherweise
bei Verdichterrädern
eingesetzt wird, führt
neben einer Verschiebung der Pumpgrenze hin zu niedrigeren Massenströmen allerdings
auch zu einer Reduzierung des maximal erreichbaren Druckverhältnisses.
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Eine
weitere Maßnahme
zur Verschiebung der Pumpgrenze ist in einer entsprechenden Ausgestaltung
des Luftführungsabschnitts
des Abgasturboladers realisiert. Der Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers
weist stromab einer Radkammer, in welcher das Verdichterrad drehbar
gelagert ist, einen Diffusor auf. Eine Anordnung von Leitschaufeln
im Diffusor bewirkt eine Verschiebung der Pumpgrenze zu kleineren
Massenströmen
hin. Zusätzlich
kann ein entsprechender Anstellwinkel der Leitschaufeln zu einer
weiteren Verschiebung der Pumpgrenze beitragen. Allerdings bleibt
bei dieser Maßnahme
die Gesamtbreite des Kennfeldes erhalten.
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Aus
der
DE 195 48 852
A1 geht ein Verdichter eines Abgasturboladers hervor, welcher
in seinem Diffusor Leitschaufeln aufweist, die zur weiteren Verschiebung
der Pumpgrenze jeweils eine Durchtrittsöffnung aufweisen. Die Durchtrittsöffnung erstreckt sich über einen
Teil einer Schaufelhöhe
der entsprechenden Leitschaufel. Die Pumpgrenze des Verdichters
im Kennfeld wird zu niedrigeren Massenströmen hin verschoben, wobei die
Gesamtbreite des Kennfeldes vergrößert wird.
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Die
Aufgabe ist es nun, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader
so zu gestalten, dass auf einfache Weise die Pumpgrenze eines Verdichters
des Abgasturboladers zu kleineren Massenströmen hin verschoben werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung basiert auf dem Gedanken, eine Grenzschicht zu stabilisieren,
welche an einer Saugseite einer Schaufel ausgebildet ist, dadurch, dass
dieser Grenzschicht Energie zuführbar
ist.
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Erfindungsgemäß weist
eine Brennkraftmaschine einen Abgasturbolader auf, dessen Verdichterrad
mit mindestens einer Schaufel ausgebildet ist, welche mindestens
einen durchströmbaren
Kanal aufweist. Der Kanal ist von einer Druckseite der Schaufel
zu einer Saugseite der Schaufel durchströmbar ausgestaltet, so dass
ein Teil eines vom Verdichterrad geförderten Mediums, im Allgemeinen Verbrennungsluft,
von der Druckseite zur Saugseite strömen kann. Einer an der Saugseite
ausgebildeten Grenzschicht ist somit Energie in Form eines Teils des
vom Verdichterrad angesaugten gasförmigen Mediums zuführbar, wodurch
die Energie der Grenzschicht erhöht
werden kann. Vorteilhafterweise resultiert daraus eine Verschiebung
der Pumpgrenze hin zu kleineren Massenströmen und zusätzlich eine Vergrößerung des
gesamten Kennfeldes des Verdichters.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Kanal einen kleinsten Strömungsquerschnitt
auf, welche kleiner ausgebildet ist als eine Eintrittsöffnung des
Kanals an der Druckseite. Hiermit ist eine Geschwindigkeitssteigerung
der durchströmenden
Luft erzielbar, so dass sich eine weitere Steigerung der Grenzschichtenergie
herbeiführen
lässt.
Insbesondere ist vorteilhafterweise die Eintrittsöffnung mindestens
doppelt so groß ausgebildet
wie der kleinste Strömungsquerschnitt.
Im Allgemeinen entspricht ein Austrittsquerschnitt des Kanals an
der Saugseite dem kleinsten Strömungsquerschnitt.
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Da
sich eine Ablösung
der Grenzschicht üblicherweise
in einem Bereich nahe einer Eintrittskante der Schaufel einstellt,
ist es zweckmäßig den durchströmbaren Kanal
in einem Bereich zwischen 10% und 30% einer Gesamtschaufelhöhe vorzusehen.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine
mit einem Abgasturbolader,
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2 in
einer Draufsicht ein Verdichterrad des Abgasturboladers, mit Schaufeln
in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 in
einer Draufsicht ein Verdichterrad des Abgasturboladers, mit Schaufeln
in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4a in
einem Schnitt einen Teil der Schaufel in der ersten Ausführungsform,
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4b in
einer Draufsicht einen Teil einer Saugseite der Schaufel,
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4c in
einer Draufsicht eine Teil einer Druckseite der Schaufel,
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5 in
einer grafischen Darstellung ein Verdichterkennfeld des Verdichterrades
mit radial endend ausgebildeten Schaufeln und
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6 in
einer grafischen Darstellung ein Verdichterkennfeld des Verdichterrades
mit rückwärts gekrümmt ausgebildeten
Schaufeln.
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben
Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1,
welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist, weist einen Frischluftstrang 2 und
einen Abgastrakt 3 auf. Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über den
Frischluftstrang 2 Verbrennungsluft an, die nach einer
unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als Abgas über den
Abgastrakt 3 abgeführt
wird.
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Der
Frischluftstrang 2 weist eine Ladeluftleitung 4 auf,
welche an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandten Ende
mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Stromauf der
Brennkraftmaschine 1 ist in der Ladeluftleitung 4 ein
Ladeluftkühler 5 zur
Kühlung
angesaugter Verbrennungsluft angeordnet. Ein Verbrennungsluftfilter 6 zum
Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft ist an dem anderen Ende
der Ladeluftleitung 4 angeordnet, welches von der Brennkraftmaschine 1 abgewandt
positioniert ist. Stromab des Verbrennungsluftfilters 6 ist
ein Luftmengenmesser 7 in der Ladeluftleitung 4 angeordnet.
Mit Hilfe des Luftmengenmessers 7 wird ein Luftdurchsatz
gemessen, welcher an eine Regel- und Steuereinheit 8 weitergegeben
wird. Die Regel- und Steuereinheit 8 ist der Brennkraftmaschine 1 zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen zugeordnet. Über das
Regel- und Steuereinheit 8 ist insbesondere die Kraftstoffzufuhr
regelbar.
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Der
Abgastrakt 3 weist eine Abgasleitung 9 auf, welche
an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandten Ende mit
einem nicht näher
dargestellten Abgaskrümmer
der Brennkraftmaschine 1 verbundenen ist. An einem von
der Brennkraftmaschine 1 abgewandten Ende der Abgasleitung 9 ist
zur Abgasnachbehandlung ein Abgasnachbehandlungssystem 10 angeordnet,
welches in Form eines Rußfilters und/oder
Katalysators und/oder SCR-Anlage ausgebildet ist.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist ergänzend ein Abgasrückführ system 11 auf,
dem eine Verbindungsleitung 12 in Form einer Abgasrückführleitung von
der Abgasleitung 9 abzweigend und in die Ladeluftleitung 4 stromab
des Ladeluftkühlers 5 einmündend zugeordnet
ist. In der Abgasrückführleitung 12 ist
zur Kühlung
von rückgeführtem Abgas
ein Abgaskühler 13 angeordnet.
Eine Einstellung einer rückgeführten Abgasmenge
erfolgt mit Hilfe eines Abgasrückführventils 14.
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Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader 15 zugeordnet,
welcher ein Gehäuse 16 aufweist,
das einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt 17,
einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt 18 und
einen Lagerabschnitt 19 umfasst, wobei der Luftführungsabschnitt 18 im Frischluftstrang 2 und
der Abgasführungsabschnitt 17 im
Abgastrakt 3 angeordnet sind. Der Lagerabschnitt 19 ist
zwischen dem Luftführungsabschnitt 18 und
dem Abgasführungsabschnitt 17 positioniert.
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Der
Abgasturbolader 15 weist ein im Gehäuse 16 gelagertes
Laufzeug 20 auf, welches ein Verdichterrad 21 zum
Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein Turbinenrad 22 zur
Expansion von Abgas und eine das Verdichterrad 21 mit dem
Turbinenrad 22 drehfest verbindende Welle 23 mit
einer Drehachse 24 umfasst. Das Verdichterrad 21 ist
im Luftführungsabschnitt 18,
das Turbinenrad 22 ist im Abgasführungsabschnitt 17 und
die Welle 23 ist im Lagerabschnitt 19 drehbar
gelagert.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Turbinenrad 22 als
Folge einer Beaufschlagung durch das Abgas der Brennkraftmaschine 1 in
eine Rotationsbewegung versetzt, wobei mit Hilfe der Welle 23 das
Verdichterrad 21 ebenfalls in Rotation versetzt wird, so
dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet. Die angesaugte
Verbrennungsluft wird, bevor sie in die Brennkraftmaschine 1 gelangt, im
Ladeluftkühler 5 gekühlt.
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Das
Verdichterrad 21 weist eine variable Verdichtergeometrie 25 auf,
mit Hilfe derer ein Anströmquerschnitt
auf das Verdichterrad 21 veränderlich einstellbar ist. Im
Abgasführungsabschnitt 17 ist
eine Leitvorrichtung 26 zur Änderung der Abgasströmung auf
das Turbinenrad 22 positioniert. Mit Hilfe einer stromauf
des Turbinenrades 22 von der Abgasleitung 9 abzweigenden
und stromab des Turbinenrades 22 wieder in die Abgasleitung 9 einmündenden
Umgehungsleitung 27 ist das Turbinenrad 22 umgehbar. Eine
entsprechende Abgasmenge ist mit Hilfe eines in der Umgehungsleitung 27 angeordneten
Umgehungsventils 28 einzustellen.
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Die 2 zeigt
das Verdichterrad 21, welches eine Nabe 29 und
eine Mehrzahl auf der Nabe 29 befestigter Schaufeln 30 umfasst,
wobei die Schaufeln 30 radial endend ausgebildet sind.
Im Betrieb des Abgasturboladers 15 erfolgt eine mechanische
Belastung der radial endend ausgebildeten Schaufeln 30 ausschließlich durch
radial gerichtete Fliehkräfte,
so dass in einem Vergleich zu einem Verdichterrad 21 mit
rückwärts gekrümmt ausgebildeten Schaufeln 30,
ein höheres
Druckverhältnis π am Verdichterrad 21 erzielbar
ist. Beispielsweise ist bei Verdichterrädern 21 aus einer
Aluminium-Legierung, dessen Schaufeln 30 radial endend
ausgebildet sind, ein Druckverhältnis π, welches
größer 5 ist,
unter Einhaltung mechanischer Sicherheitsbeiwerte erreichbar.
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Im
Betrieb des Abgasturboladers 15 bildet sich an einer Seitenfläche 33 der
Schaufel 30, der sogenannten Saugseite, eine Grenzschicht
aus. Diese Grenzschicht weist eine Abhängigkeit von einem geförderten
Massenstrom mp und einem am Verdichterrad anliegenden Druckverhältnisses π auf, derart, dass
eine Ablösung
der Grenzschicht ab einem entsprechend kleinen Massenstrom mp und
einem dazugehörenden
Druckverhältnis π erfolgt.
Die entsprechende Grenze zwischen Ablösung und Stabilität der Grenzschicht
ist in einem Kennfeld des Verdichters als Pumpgrenze P abgebildet.
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Zur
Vergrößerung des
Betriebsbereiches des Verdichters durch Verschiebung der Pumpgrenze
P zu kleinen Massenströmen
mp, unter Beibehaltung eines hohen Druckverhältnisses π, ist der Grenzschicht mit Hilfe
eines in die Schaufeln 30 eingebrachten, durchströmbaren Kanals 31 Verbrennungsluft
zuführbar.
Aufgrund einer dadurch erzielten energetischen Anreicherung der
Grenzschicht ist eine derartige Stabilität herbeizuführen, dass eine Ablösung der
Grenzschicht verhindert wird.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
gem. 2 ist der Kanal 31 zu einer Radaußenkontur 37 des
Verdichterrades 21 geschlossen ausgebildet. In einer zweiten
Ausführungsform
gem. 3 ist der Kanal 31 zur Radaußenkontur 37 geöffnet ausgebildet.
Der Kanal 31 ist dabei, sowohl im ersten Ausführungsbeispiel
gem. 2 als auch im zweiten Ausführungsbeispiel gem. 3,
von einer Druckseite 32 der Schaufel 30 zur Saugseite 33 der
Schaufel 30 durchströmbar
ausgestaltet. Wie in 3 dargestellt, kann auch nur
ein Teil der Schaufeln 30 einen Kanal 31 aufweisen.
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In 4a ist
in einem Schnitt ein Teil der Schaufel 30 gem. 3 abgebildet.
Im Betrieb des Abgasturboladers 15 ist an der Druckseite 32 bevorzugt
in einem Bereich nahe der Radaußenkontur 37 und
der Eintrittskante 36 ein Strömungsstaupunkt 38 ausgebildet.
Eine Positionierung des Kanals 31 nahe diesem Strömungsstaupunkt 38 ist
bevorzugt zu wählen,
damit ein großer
Anteil der turbulenzerzeugenden Strömung über den Kanal 31 zur
Saugseite 33 hin führbar
ist.
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Mit
Hilfe eines engsten Strömungsquerschnitts
des Kanals 31 ist auf die zugeführte Energie Einfluß zu nehmen.
Zur Steigerung der zugeführten Energie
ist dabei der engste Strömungsquerschnitt kleiner
ausgebildet als die Eintrittsöffnung 34,
wodurch der Druck resp. die Geschwindigkeit der aus dem Kanal 31 strömenden Verbrennungsluft
erhöht wird
(s. 4b und 4c). Vorteilhafterweise
ist zur Reduzierung von Strömungsverlusten
die Austrittsöffnung 35 als
kleinster Strömungsquerschnitt ausgebildet.
Idealerweise ist die Eintrittsöffnung 34 mindestens
doppelt so groß ausgebildet
wie die Austrittsöffnung 35.
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Als
Transportdruckverhältnis
ist ein an der Eintrittsöffnung 34 anliegender
Druck in einem Verhältnis
zu einem an der Austrittsöffnung 35 anliegenden
Druck beschreibbar, wobei das Transportdruckverhältnis mit Hilfe einer Relativgeschwindigkeit
w1 des Verdichterrades 21 bestimmbar ist. Die Relativgeschwindigkeit
w1 ist mit Hilfe einer Umfangsgeschwindigkeit u1 des Verdichterrades
und einer Anströmgeschwindigkeit
c1 und zu ermitteln.
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Da
die Ablösung
der Grenzschicht üblicherweise
in einem Bereich nahe der Eintrittskante 36 der Schaufel 30 in
Erscheinung tritt, ist es zweckmäßig, eine
Kanalhöhe 39 des
durchströmbaren
Kanal 31 in einer Größenordnung
zwischen 10% und 30% einer Gesamtschaufelhöhe 40 der Schaufel 30 vorzusehen.
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Eine Überdeckung 41,
welche sich dadurch auszeichnet, dass der Kanal 31 in diesem
Bereich von mindestens drei Seitenwänden begrenzt ist, ist so zu
minimieren, dass ein aufgrund eines bestimmten Einströmwinkels
erzeugter Impuls der durch den Kanal 31 strömenden Verbrennungsluft
an der Austrittsöffnung 35 weitestgehend
erhalten bleibt.
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Bevorzugt
Verdichterräder 21,
die eine hohe Werkstoffbelastung aufweisen, insbesondere Verdichterräder 21 von
Abgasturboladern und Brennstoffzellverdichtern, sind mit Schaufeln 30,
welche einen Kanal 31 aufweisen, auszugestalten.
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5 zeigt
ein Kennfeld eines Verdichters in grafischer Darstellung, dessen
Verdichterrad 21 radial endend ausgebildete Schaufeln 30 aufweist.
In 6 ist in grafischer Dar stellung ein Kennfeld eines Verdichters
mit einem Verdichterrad 21 abgebildet, dessen Schaufeln 30 rückwärts gekrümmt ausgebildet
sind. In einer Gegenüberstellung
der beiden Kennfelder zeigt sich, dass die Pumpgrenze P des in 5 dargestellten
Kennfeldes zwar zu höheren Massenströmen mp hin
verschoben ist, wobei allerdings ein größeres Druckverhältnis π zu erreichen
ist. Mit Hilfe des Kanals 31 ist nun die Pumpgrenze P des hochbelastbar
ausgestalteten Verdichterrades 21 soweit zu verschieben,
dass ein großer
Betriebsbereich mit hohen Druckverhältnisse π bei kleinen Massenströmen mp realisierbar
ist.
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Auch
im Bereich von Brennstoffzellen-Antrieben, die gegenüber höher aufgeladenen
Brennkraftmaschinen 1 ein breiteres Kennfeld benötigen, ist das
Betriebsverhalten mit einem Einsatz eines Verdichters, dessen Schaufeln 30 rückwärts gekrümmt ausgebildet
sind und einen Kanal 31 aufweisen, zu verbessern.