DE102007023142A1 - Exhaust gas compressor for automotive exhaust gas turbocharger has spiral wall incorporating cooling duct - Google Patents

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Abstract

An automotive exhaust gas turbocharger flow compressor (1) has a compressor wheel (11) housing (7) together defining the gas duct (25). The duct translates into an outer spiral housing (27) forming part of the compressor (1) surrounded by the spiral housing (9). The wall around the spiral (27) housing incorporates a cooling duct (29).

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a flow compressor for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.

Bekanntermaßen werden Abgasturbolader mit Radialverdichter als Aufladesysteme für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Durch die sehr hohen Verdichterdrehzahlen wird die angesaugte Luft nicht nur verdichtet. Durch Luftverwirbelungen am Verdichterrad und besonders in den Spalten zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse wird die Luft auch erwärmt.As is known, Turbocharger with radial compressor as charging systems for Internal combustion engines used in motor vehicles. By the very high compressor speeds, the intake air is not only compressed. Due to air turbulence on the compressor wheel and especially in the gaps between compressor wheel and compressor housing is the air also heated.

Aus der US 2,384,251 ist ein gattungsgemäßer Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Strömungsverdichter ist Teil eines Abgasturboladers, in dessen Verdichterradgehäuse ein Verdichterrad angeordnet ist, das zusammen mit dem Verdichterradgehäuse einen Strömungskanal begrenzt. Der Strömungskanal mündet in einen radial äußeren, ringförmigen Diffusorraum. Sowohl die Begrenzungswände des Diffusorraums als auch die dem Verdichterrad gegenüberliegenden Begrenzungswände sind mit Kühlkanälen versehen, die Kühlwasser aus einem Niedertemperaturkühlkreislauf führen.From the US 2,384,251 is a generic flow compressor for an internal combustion engine known. The flow compressor is part of an exhaust gas turbocharger, in whose Verdichterradgehäuse a compressor wheel is arranged, which limits a flow channel together with the Verdichterradgehäuse. The flow channel opens into a radially outer, annular diffuser space. Both the boundary walls of the diffuser space and the boundary walls opposite the compressor wheel are provided with cooling channels which guide cooling water out of a low-temperature cooling circuit.

Bei sehr hohen Verdichterdrehzahlen wird die zu verdichtende Luft durch Reibung am Verdichterrad und insbesondere in den Spalten zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse deutlich wärmer als bei einer adiabaten Verdichtung. Das heißt, dass der Luft im Strömungsverdichter nachteilig Wärme zugeführt wird, wodurch mehr Antriebsleistung erforderlich ist.at very high compressor speeds, the air to be compressed through Friction on the compressor wheel and in particular in the gaps between the Compressor and the housing much warmer as in an adiabatic compression. That means that the Air in the flow compressor adversely heat supplied becomes, whereby more drive power is required.

Aus der DE 198 45 375 A1 ist ein weiterer Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer Abgasturbine bekannt. Zwischen dem Verdichterrad und den gegenüberliegenden Begrenzungswänden des Verdichterradgehäuses sind Radialspalte gebildet, die über einen mit Kühlfluid beaufschlagten Kühlkanal in einer der Begrenzungswände gekühlt wird.From the DE 198 45 375 A1 is another exhaust gas turbocharger with a centrifugal compressor and an exhaust gas turbine known. Between the compressor wheel and the opposite boundary walls of the compressor wheel housing radial gaps are formed, which is cooled by a cooling fluid acted upon cooling channel in one of the boundary walls.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem auch bei sehr hohen Verdichterdrehzahlen die Ansaugluft im Wesentlichen adiabat verdichtet werden kann.The The object of the invention is a flow compressor for an internal combustion engine, in which also at very high compressor speeds, the intake air is substantially adiabatic can be compressed.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The The object is solved by the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are in the dependent claims disclosed.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist in einer, einen Verdichter-Spiralkanal umgebenden Begrenzungswand eines Spiralgehäuses ein Kühlkanal vorgesehen, der von einem Kühlfluid, etwa Kühlwasser aus einem Niedertemperaturkühlkreislauf, durchströmt ist. Mittels des spiralseitigen Kühlkanals kann die, den Verdichter-Spiralkanal durchströmende komprimierte Luft intensiv gekühlt werden, wodurch die Ladeluft den Verdichter mit geringerer Temperatur verlässt und entsprechend kleiner dimensionierte nachgeschaltete Ladeluftkühler anwendbar sind. Darüber hinaus ist die Verdichterantriebsleistung für gleichen Ladedruck reduziert, so dass sich ein besserer Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine ergibt.According to the The characterizing part of claim 1 is in a surrounding a compressor spiral channel Boundary wall of a spiral housing a cooling channel provided by a cooling fluid, such as cooling water from a low-temperature cooling circuit, flows through is. By means of the spiral-side cooling channel can, the Compressor spiral channel flowing compressed air be intensively cooled, whereby the charge air the compressor leaves at a lower temperature and correspondingly smaller dimensioned downstream intercooler applicable are. In addition, the compressor drive power reduced for the same boost pressure, so that a better Overall efficiency of the internal combustion engine results.

Für eine intensive Kühlung der den Verdichter-Spiralkanal durchströmten komprimierten Luft ist es von Vorteil, wenn der spiralgehäuseseitige Kühlkanal den Spiralkanal C-förmig umschließt. Für einen günstigen sowie in Umfangsrichtung gleichmäßig guten Wärmeübergang kann die den Spiralkanal zugewandte Innenwandung des Kühlkanals im Wesentlichen eine geringe, konstante Wandstärke aufweisen. Die Innenwandung des Kühlkanals kann darüber hinaus aus einem besonders leitfähigen Material gefertigt sein.For intensive cooling of the compressor spiral channel flowed through compressed air, it is advantageous if the spiral housing side Cooling channel surrounds the spiral channel C-shaped. For a cheap as well as circumferentially evenly Good heat transfer can the spiral channel facing Inner wall of the cooling channel essentially a small, have constant wall thickness. The inner wall of the cooling channel can also be made of a particularly conductive Be made of material.

Zur weiteren Steigerung der Kühlung kann zumindest ein weiterer Kühlkanal in den, das Verdichterrad axial begrenzenden Wänden des Verdichterradgehäuses vorgesehen sein. Dadurch reduziert sich die thermische Belastung des Verdichterrads, so dass kostengünstigere Werkstoffe für das Verdichterrad und das Verdichterradgehäuse verwendet werden können.to further increase in cooling can be at least one more Cooling channel in the, the compressor wheel axially limiting Be provided walls of Verdichterradgehäuses. This reduces the thermal load of the compressor wheel, so that cheaper materials for the compressor wheel and the compressor wheel housing can be used.

Für den Fall, dass sowohl im Spiralgehäuse als auch im Verdichterradgehäuse jeweils ein Kühlkanal vorgesehen ist, können diese – strömungstechnisch bevorzugt – unmittelbar miteinander verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es aus strömungstechnischer Sicht, wenn der verdichterradseitige Kühlkanal ohne besonderen Übergangsbereich einstückig an den spiralseitigen Kühlkanal anschließt. In diesem Zusammenhang ist es fertigungstechnisch bevorzugt, wenn das Verdichterradgehäuse und das Spiralgehäuse im Wesentlichen materialeinheitlich und einstückig ausgebildet sind.For the case that both in the volute casing and in the Verdichterradgehäuse each a cooling channel is provided, they can - fluidically preferably - be connected directly to each other. Especially it is preferred from a fluidic point of view, if the Compressor-wheel-side cooling channel without special transition area integrally connected to the spiral-side cooling channel. In this context, it is preferred manufacturing technology, if the compressor wheel housing and the volute casing essentially formed of the same material and in one piece are.

Eine besonders wirkungsvolle Kühlung der zu verdichtenden Luft wird erreicht, wenn im Verdichterradgehäuse sowohl in dessen Vorderwand als auch in dessen Rückwand ein Kühlkanal vorgesehen ist. Die beiden Kühlkanäle des Verdichterradgehäuses können dabei strömungstechnisch günstig über den spiralseitigen Kühlkanal miteinander strömungstechnisch in Verbindung sein.A particularly effective cooling of the air to be compressed is achieved when in Verdichterradgehäuse both in the Front wall as well as in the rear wall, a cooling channel is provided. The two cooling channels of the compressor wheel housing can thereby flow favorable over the spiral-side cooling channel with each other fluidically be in touch.

Für eine gleichmäßige Durchströmung kann der Kühlkanal im Querschnitt im Wesentlichen von konstanter Breite sein. Der spiralseitige Kühlkanal und/oder der zumindest eine verdichterradseitige Kühlkanal können sich dabei bevorzugt ringförmig geschlossen um die Längsachse des Strömungsverdichters erstrecken.For a uniform flow, the cooling channel in cross-section may be substantially of constant width. The spiral-side cooling channel and / or the at least one compressor-wheel-side cooling channel can preferably extend in an annular manner around the longitudinal axis of the flow compressor.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben, in der ein Radialverdichter eines Abgasturboladers in einer Halbschnittansicht teilweise dargestellt ist. Die in der Figur nicht dargestellte untere Hälfte des Abgasturboladers ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur oberen Hälfte ausgeführt.following is an embodiment of the invention with reference to the accompanying Figure described, in which a radial compressor of an exhaust gas turbocharger partially shown in a half-sectional view. The in the Figure not shown lower half of the exhaust gas turbocharger is essentially mirror-symmetrical to the upper half executed.

Der in der Figur gezeigte Abgasturbolader wirkt mit einer Brennkraftmaschine zusammen und besteht aus einem Radialverdichter 1, der zusammen mit einer nicht gezeigten Abgasturbine des Turboladers drehfest auf einer gemeinsamen Welle 3 sitzt. Im Fahrzeugbetrieb treibt die Abgasturbine in bekannter Weise über die gemeinsame Welle 3 den Radialverdichter 1 an, der über einen Lufteinlass 2 Verbrennungsluft ansaugt und diese im verdichteten Zustand einer nicht gezeigten, zur Brennkraftmaschine führenden Ladeluftleitung zuführt. DieVerdichterradgehäuse 7 und in ein Spiralgehäuse 9 aufgeteilt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Verdichterradgehäuse 7 und das Spiralgehäuse 9 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Das in dem Verdichterradgehäuse 7 angeordnete Verdichterrad 11 ist mit seiner Nabe 13 drehfest mit der gemeinsamen Welle 3 verbunden und trägt eine Vielzahl von Leitschaufeln 15. den Radialverdichter 1 antreibende Abgasturbine ist über eine Abgasleitung mit der Brennkraftmaschine verbunden. In der Ladeluftleitung zwischen dem Radialverdichter 1 und der Brennkraftmaschine ist üblicherweise ein Ladeluftkühler angeordnet, der in einem Niedertemperaturkühlkreislauf geschaltet ist.The exhaust gas turbocharger shown in the figure cooperates with an internal combustion engine and consists of a radial compressor 1 , which rotatably together with an exhaust turbine, not shown, of the turbocharger on a common shaft 3 sitting. In vehicle operation, the exhaust gas turbine drives in a known manner over the common shaft 3 the centrifugal compressor 1 on, via an air intake 2 Suction combustion air and these supplies in the compressed state of a not shown, leading to the engine charge air line. DieVerdichterradgehäuse 7 and in a spiral housing 9 divided up. In the illustrated embodiment, the Verdichterradgehäuse 7 and the volute casing 9 formed in one piece and of uniform material. That in the compressor wheel housing 7 arranged compressor wheel 11 is with his hub 13 non-rotatable with the common shaft 3 connected and carries a variety of vanes 15 , the centrifugal compressor 1 driving exhaust gas turbine is connected via an exhaust pipe to the internal combustion engine. In the charge air line between the radial compressor 1 and the internal combustion engine is usually arranged a charge air cooler, which is connected in a low-temperature cooling circuit.

Das Verdichtergehäuse des Radialverdichters 1 ist in einThe compressor housing of the centrifugal compressor 1 is in one

Die das Verdichterrad 11 tragende Welle 3 ist durch eine Lageröffnung der Gehäuserückwand 17 des Verdichterradgehäuses 7 geführt. Die Nabe 13 ist dabei mit ihrer Rückseite über einen Radialspalt 19 gleichmäßig beabstandet. Axial gegenüberliegend sind die Vorderkanten 21 der Leitschaufeln 15 über einen Ringspalt 23 von einer Vorderwand 26 des Verdichterradgehäuses 7 beabstandet. Zwischen dem Verdichterradgehäuse 7 und der Nabe 13 des Verdichterrads 11 bilden die Leitschaufeln die Strömungskanäle 25, die den Lufteinlass 2 des Radialverdichters 1 strömungstechnisch mit einem radial äußeren Spiralkanal 27 des Spiralgehäuses 9 verbinden. Die Nabe 13 des Verdichterrads 11 hat in bekannter Weise eine sich in Richtung Lufteinlass 2 konisch verjüngende Konfiguration.The compressor wheel 11 bearing wave 3 is through a bearing opening of the rear wall of the housing 17 the Verdichterradgehäuses 7 guided. The hub 13 is with its back over a radial gap 19 evenly spaced. Axially opposite are the leading edges 21 the vanes 15 over an annular gap 23 from a front wall 26 the Verdichterradgehäuses 7 spaced. Between the compressor wheel housing 7 and the hub 13 the compressor wheel 11 the vanes form the flow channels 25 that the air intake 2 of the centrifugal compressor 1 fluidically with a radially outer spiral channel 27 of the volute casing 9 connect. The hub 13 the compressor wheel 11 has in a known manner in the direction of air inlet 2 conically tapered configuration.

Wie aus der Figur hervorgeht, ist in einer, den Spiralkanal 27 umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses 9 ein Kühlkanal 29 vorgesehen, der im gezeigten Querschnitt den etwa torusförmigen Spiralkanal 27 C-förmig umschließt. Die Innenwandung des Kühlkanals 29 ist dabei im Wesentlichen von konstanter, geringer Wandstärke a, so dass ein guter, gleichmäßiger Wärmeübergang vom Kühlkanal 29 in den Spiralkanal 27 gewährleistet ist. Der spiralseitige Kühlkanal 29 erstreckt sich im Wesentlichen ringförmig um den Spiralkanal 27 und geht unmittelbar in einen weiteren Kühlkanal 31 im Verdichterradgehäuse 7 über. Der zweite Kühlkanal 31 im Verdichterradgehäuse 7 kühlt insbesondere die thermisch beanspruchten Vorderkanten 21 der Leitschaufeln 15.As can be seen from the figure, in one, the spiral channel 27 surrounding boundary wall of the volute casing 9 a cooling channel 29 provided in the cross section shown the approximately toroidal spiral channel 27 Encloses C-shaped. The inner wall of the cooling channel 29 is essentially of constant, low wall thickness a, so that a good, uniform heat transfer from the cooling channel 29 in the spiral channel 27 is guaranteed. The spiral-side cooling channel 29 extends substantially annularly around the spiral channel 27 and goes directly into another cooling channel 31 in the compressor wheel housing 7 above. The second cooling channel 31 in the compressor wheel housing 7 cools in particular the thermally stressed leading edges 21 the vanes 15 ,

Zusätzlich kann gemäß der gestrichelten Linie in der Rückwand 17 des Verdichterradgehäuses 7 ebenfalls ein vertikaler Kühlkanal 33 vorgesehen werden, der den Radialspalt 19 kühlt. Durch den vertikalen Kühlkanal 33 ist insbesondere ein Wärmeeintrag von der Abgasturbine in das Verdichtergehäuse 7 verhindert.In addition, according to the dashed line in the back wall 17 the Verdichterradgehäuses 7 also a vertical cooling channel 33 be provided, which is the radial gap 19 cools. Through the vertical cooling channel 33 is in particular a heat input from the exhaust gas turbine in the compressor housing 7 prevented.

Gemäß der Figur geht der spiralseitige Kühlkanal 29 nahezu übergangslos in die verdichterradseitigen Kühlkanäle 31 und 33 über, wodurch insgesamt eine gleichmäßige sowie widerstandsarme Durchströmung der Kühlkanäle 29, 31 und 33 erreicht ist.According to the figure, the spiral-side cooling channel 29 almost seamless in the compressor wheel side cooling channels 31 and 33 over, resulting in a uniform and low-resistance flow through the cooling channels 29 . 31 and 33 is reached.

Im Betrieb des Abgasturboladers saugt das Verdichterrad 11 über den Lufteintritt Umgebungsluft an, die über den Strömungskanal 25 verdichtet wird und in den Spiralkanal 27 ausgestoßen wird. Ausgehend von dem Spiralkanal 27 des Radialverdichters 1 wird die komprimierte Luft über die Ladeluftleitung zur Brennkraftmaschine geleitet. Durch die im Verdichterradgehäuse 7 und im Spiralgehäuse 9 vorgesehenen Kühlkanäle 29, 31 und 33 wird einerseits die zu verdichtende Luft sowohl im Strömungskanal 25 als auch im Spiralkanal 27 des Radialverdichters 1 effektiv gekühlt. Andererseits wird indirekt über die kühlere Luft auch das Verdichterrad gekühlt und dadurch technisch entlastet.During operation of the exhaust gas turbocharger sucks the compressor wheel 11 via the air inlet to ambient air, which is via the flow channel 25 is compressed and into the spiral channel 27 is ejected. Starting from the spiral channel 27 of the centrifugal compressor 1 the compressed air is passed via the charge air line to the internal combustion engine. By the in the compressor wheel housing 7 and in the spiral housing 9 provided cooling channels 29 . 31 and 33 on the one hand, the air to be compressed both in the flow channel 25 as well as in the spiral channel 27 of the centrifugal compressor 1 effectively cooled. On the other hand, indirectly via the cooler air and the compressor is cooled and thereby technically relieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 2384251 [0003] - US 2384251 [0003]
  • - DE 19845375 A1 [0005] - DE 19845375 A1 [0005]

Claims (9)

Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem Strömungsverdichter (1), der ein Verdichterradgehäuse (7) aufweist, in dem ein Verdichterrad (11) angeordnet ist, das zusammen mit dem Verdichterradgehäuse (7) einen Strömungskanal (25) begrenzt, der in eine radial äußere Spirale (27) des Verdichters (1) mündet, die von einem Spiralgehäuse (9) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Spirale (27) umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses (9) ein Kühlkanal (29) vorgesehen ist.Flow compressor for an internal combustion engine, in particular exhaust gas turbocharger with a flow compressor ( 1 ), which has a compressor wheel housing ( 7 ), in which a compressor wheel ( 11 ) is arranged, which together with the Verdichterradgehäuse ( 7 ) a flow channel ( 25 ), which is in a radially outer spiral ( 27 ) of the compressor ( 1 ), which by a spiral housing ( 9 ), characterized in that in one the spiral ( 27 ) surrounding boundary wall of the spiral housing ( 9 ) a cooling channel ( 29 ) is provided. Strömungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralseitige Kühlkanal (29) im Querschnitt die Spirale (27) C-förmig umschließt.Flow compressor according to claim 1, characterized in that the spiral-side cooling channel ( 29 ) in cross-section the spiral ( 27 ) Encloses C-shaped. Strömungsverdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spirale (27) zugewandte innere Begrenzungswand des Kühlkanals (29) im Wesentlichen eine konstante Wandstärke (a) aufweist.Flow compressor according to claim 1 or claim 2, characterized in that one of the spiral ( 27 ) facing inner boundary wall of the cooling channel ( 29 ) has a substantially constant wall thickness (a). Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer, das Verdichterrad (11) axial begrenzenden Wand (17) des Verdichterradgehäuses (7) ein weiterer Kühlkanal (31, 33) vorgesehen ist.Flow compressor according to one of the preceding claims, characterized in that in at least one, the compressor wheel ( 11 ) axially delimiting wall ( 17 ) of the compressor wheel housing ( 7 ) another cooling channel ( 31 . 33 ) is provided. Strömungsverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralseitige Kühlkanal (29) und der zumindest eine verdichterradseitige Kühlkanal (31, 33) strömungstechnisch miteinander verbunden sind.Flow compressor according to claim 4, characterized in that the spiral-side cooling channel ( 29 ) and the at least one compressor-wheel-side cooling channel ( 31 . 33 ) are fluidically connected with each other. Strömungsverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der dem Verdichterrad (11) zugewandten Vorderwand als auch der Rückwand (17) des Verdichterradgehäuses (7) ein Kühlkanal (31, 33) zugeordnet ist und dass vorzugsweise der Vorderwand-Kühlkanal (31) über den spiralseitigen Kühlkanal (29) mit dem Rückwand-Kühlkanal (33) strömungstechnisch verbunden ist.Flow compressor according to claim 4 or 5, characterized in that both the compressor wheel ( 11 ) facing front wall and the rear wall ( 17 ) of the compressor wheel housing ( 7 ) a cooling channel ( 31 . 33 ) and that preferably the front wall cooling channel ( 31 ) via the spiral-side cooling channel ( 29 ) with the back wall cooling channel ( 33 ) is fluidically connected. Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterradgehäuse (7) und das Spiralgehäuse (9) materialeinheitlich und einstückig sind.Flow compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor wheel housing ( 7 ) and the spiral housing ( 9 ) are of uniform material and in one piece. Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (29, 31, 33) einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.Flow compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one cooling channel ( 29 . 31 . 33 ) has a substantially constant flow cross-section. Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der spiralseitige Kühlkanal (29) ringförmig um die Spirale (27) erstreckt.Flow compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the spiral-side cooling channel ( 29 ) annularly around the spiral ( 27 ).
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