-
Stand der Technik
-
In
den Radialverdichtern von Abgasturboladern wird die angesaugte Luft
durch die Schaufeln des Verdichterrades beschleunigt und anschließend komprimiert.
Dabei wird ein erheblicher Anteil der Strömungsenergie an den Schaufeloberflächen durch
Luftreibung in Wärme
umgewandelt. Diese Umwandlung beeinträchtigt den thermodynamischen Wirkungsgrad
des Verdichters und führt
zu einer Temperaturerhöhung
der verdichteten Luft. Diese Luft musst anschließend in einem Ladeluftkühler wieder
abgekühlt
werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter beziehungsweise
das zugehörige Verdichterlaufrad
in Radial- oder Axialbauweise hinsichtlich seines Wirkungsgrades
zu optimieren.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Verdichter, insbesondere für
einen Abgasturbolader mit einem Verdichterlaufrad in Radial- oder
Axialbauweise, wobei das Verdichterlaufrad mehrere über den
Umfang verteilte Schaufeln aufweist und wobei die Schaufeln Strömungskanäle für die zu
verdichtende Ansaugluft begrenzen, dadurch gelöst, dass die in Drehrichtung
vorne angeordneten Oberflächen
der Schaufeln und die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der
Schaufeln mindestens bereichsweise verschieden ausgebildet sind.
-
Dabei
betrifft die erfindungsgemäße Ausbildung
der Oberfläche
die Eigenschaften der Oberfläche
selbst, wie zum Beispiel deren Rauheit.
-
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass auf der in Drehrichtung
vorne angeordneten Oberfläche
der Schaufeln tendenziell ein höherer Druck
herrscht als bei den auf der in Drehrichtung hinten angeordneten
Oberflächen
der Schaufeln. Diese unterschiedlichen Druck- und Strömungsverhältnisse
werden durch die erfindungsgemäß behandelten Oberflächen der
schaufeln gezielt für
die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen und die in Drehrichtung
hinten angeordneten Oberflächen gesondert
optimiert. Dadurch wird das Betriebsverhalten des Verdichters in
allen Betriebspunkten verbessert. Insbesondere wird, verglichen
mit herkömmlichen
Verdichterrädern,
ein breiteres Verdichterkennfeld erreicht. Außerdem kann die Pumpgrenze zu
niedrigeren Massenströmen
verschoben werden.
-
Bei
vorgegebenem Druckverhältnis
und Massenstrom kann ein mit einem erfindungsgemäß gestalteten Verdichterlaufrad
ausgerüsteter
Turbolader bei niedrigeren Drehzahlen betrieben werden oder es ist
möglich,
bei gleicher Drehzahl ein höheres Druckverhältnis und
einen höheren
Massenstrom zu erreichen.
-
Außerdem wird
die Geräuschentwicklung verringert
und der thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters erhöht. Infolgedessen
können
kleinere Verdichter und im Fall eines Abgasturboladers auch kleinere
Turbinenlaufräder
eingesetzt werden, was sich vorteilhaft auf Gewicht, Bauraumbedarf
und Ansprechverhalten auswirkt.
-
Schließlich führen die
kleineren Abmessungen und das geringere Gewicht der kleineren Laufräder auch
zu Einsparungen bei den Materialien. Wegen des verbesserten Wirkungsgrads
kann auch der stromabwärts
angeordnete Ladeluftkühler
kleiner ausgelegt werden, wodurch sich weitere Kosteneinsparungen
und ein verringerter Bauraumbedarf ergeben.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln
mindestens eine Nut, bevorzugt aber mehrere Nuten aufweisen. Diese
mindestens eine Nut kann einen dreieckigen, einen rechteckigen oder
einen halbrunden Querschnitt haben. Mit Hilfe dieser Nuten ist es
möglich,
den beispielsweise aus der Luftfahrt bekannten ”Haifischhauteffekt” an den
in den Druckbereichen der Schaufeln zu nutzen. Dadurch werden oberflächennahe
Wirbelbildungen unterdrückt
und damit die Reibungsverluste verringert.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die in
Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens
partiell eine Rautiefe Rz ≤ 1 μm
-
Durch
die erfindungsgemäß beanspruchte und
gegenüber
herkömmlichen
Verdichterlaufrädern verbesserten
Oberflächengüte, die
beispielsweise durch Schleifen und/oder Polieren hergestellt werden kann,
wird die Reibung zwischen der Oberfläche der Schaufeln im Druckbereich
und der zu verdichtenden Luft verringert. Infolgedessen wird die
verdichtete Luft weniger stark erwärmt und die Luftströmung in den
Kanälen
zwischen den Schaufeln weniger stark gestört.
-
Alternativ
oder zusätzlich
ist es auch noch möglich,
die in Drehrichtung vorne angeordneten Oberflächen der Schaufeln mindestens
partiell zu beschichten, insbesondere haben sich dabei DLC (diamond
like coatings) als vorteilhaft erwiesen. Diese diamond like coatings
führen
nicht nur zu einer sehr glatten Oberfläche, sondern sind zusätzlich auch noch
sehr verschleiß-
und erosionsbeständig.
Infolgedessen können
erfindungsgemäße Verdichterlaufräder auch
dann eingesetzt werden, wenn die Brennkraftmaschine eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist.
Die erfindungsgemäße Beschichtung schützt dann
die Schaufeln des Verdichterrads vor den im rückgeführten Abgas enthaltenen Partikeln.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der
Schaufeln mindestens partiell eine gemittelte Rautiefe rz ≥ 1 μm, bevorzugt
zwischen 2 μm
und 4 μm,
beträgt.
-
Durch
die gezielt erhöhte
Rautiefe im Saugbereich der Schaufeln werden Verwirbelungen in der Grenzschicht
zwischen der Oberfläche
der Schaufeln und der zu verdichtenden Luft indiziert. Infolgedessen
bildet sich eine turbulente Grenzschicht aus, die weniger zu Strömungsablösungen von
der Oberfläche
neigt. Infolgedessen wird auch durch diese Maßnahme das Betriebsverhalten
des Verdichterlaufrads beziehungsweise eines damit ausgerüsteten Verdichters
verbessert.
-
Die
gezielte Erhöhung
der Rautiefe der Oberfläche
an den hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln kann ohne
zusätzlichen
Herstellungsaufwand bei spanend bearbeiteten Verdichterlaufrädern durch
eine Variation der Schnittgeschwindigkeit und/oder des Vorschubs
eines Bearbeitungswerkzeugs, wie zum Beispiel eines Fräsers, erzielt
werden.
-
Zusätzlich oder
alternativ ist es auch möglich,
durch Strahlen, wie beispielsweise Sandstrahlen, Glasstrahlen oder
Strahlen mit allen anderen Strahlmitteln, die in Drehrichtung hinten
angeordneten Oberflächen
der Schaufeln auf den gewünschten Wert
bezüglich
ihrer Rauigkeit zu bringen.
-
Die
erfindungsgemäße erhöhte gemittelte Rautiefe
an den in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der
Schaufeln kann auch durch chemische oder physikalische Behandlung
erzielt werden.
-
In
vielen praktischen Fällen
ist es vorteilhaft, zunächst
die in Drehrichtung hinten angeordneten Oberflächen der Schaufeln aufzurauen
und dann in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt die in Drehrichtung
vorne angeordneten Oberflächen
der Schaufeln zu polieren beziehungsweise zu schleifen oder zu beschichten.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale
können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Abgasturbolader,
-
2 eine
isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads,
-
3 die
vereinfachte Darstellung der Abwicklung einer erfindungsgemäßen Schaufel
eines Verdichterlaufrads und
-
4 die
Auswirkungen des erfindungsgemäß verbesserten
Verdichterlaufrads auf ein Verdichterkennfeld.
-
In 1 ist
ein Gehäuse
des Abgasturboladers mit dem Bezugszeichen 1 versehen.
Das Gehäuse 1 kann
einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein, je nach den Erfordernissen
bei der Herstellung und Montage des Abgasturboladers.
-
Wie
hinlänglich
bekannt, weisen Abgasturbolader einen Turbinenteil, der in 1 rechts
angeordnet ist, und einen Verdichterteil, der in 1 links angeordnet
ist, auf. Im Turbinenteil ist ein Turbinenlaufrad 3 vorhanden,
das fest mit einer Welle 5 verbunden ist.
-
An
dem linken Ende der Welle 5 ist ein Verdichterlaufrad 7 auf
der Welle 5 angebracht. Die zu verdichtende Verbrennungsluft
strömt
dem Verdichterlaufrad 7 in axialer Richtung zu und verlässt es in radialer
Richtung. Die Bewegungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft
ist in 1 durch Pfeile 9 angedeutet. Im rechten
Teil des Gehäuses 1 ist
eine Einlaufspirale 11 ausgebildet, durch die das von der
nicht dargestellten Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas dem Turbinenlaufrad 3 zugeführt wird.
-
Um
die auf die Welle 5 wirkenden Axialkräfte aufzunehmen, ist an dem
Gehäuse 1 eine
Lagerscheibe 15 angeordnet, die in einer von zwei Lagerhülsen 17 und 19 gebildete
Nut eintaucht. Die Axiallagerhülsen 17 und 19 sind
drehfest mit der Welle 5 verbunden.
-
Um
zu verhindern, dass Öl
in das Verdichterlaufrad 7 gelangt, ist ein Ölabweisblech 21 vorgesehen.
-
Bei
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
Radiallagerung 13 der Welle 5 zwei schwimmende
Lagerbuchsen, die über
eine Ölversorgung
mit Motoröl
versorgt werden.
-
Das
Verdichterlaufrad 7 weist mehrere über den Umfang verteilte Schaufeln 31 auf,
von denen in 1 zwei sichtbar sind. Die Schaufeln 31 weisen
jeweils eine Eintrittskante 33 und eine Austrittskante 35 auf.
-
Zwischen
einer Kante 37 der Schaufeln 31 und dem Gehäuse 1 ist
ein Spalt (ohne Bezugszeichen) vorhanden, der, wie nachfolgend anhand
der 2 noch näher
erläutert
werden wird, Wirbel induziert.
-
In 2 ist
ein Verdichterlaufrad 7 mit rückwärts gekrümmten Schaufeln 31 isometrisch
dargestellt. Konkret sind nur drei Schaufeln 31 dargestellt, während vom übrigen Teil
des Verdichterlaufrads 7 die Hüllfläche angedeutet ist.
-
Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
ist nur eine Schaufel 31 mit den Bezugszeichen 31 bis 37 versehen.
Da alle in 2 dargestellten Schaufeln 31 gleich
ausgebildet sind, erübrigen
sich die Bezugszeichen an den zwei anderen dargestellten Schaufeln.
-
Die
zu verdichtende Luft wird im Bereich der Eintrittskanten 33 von
dem Verdichterlaufrad 7 angesaugt, auf eine hohe Geschwindigkeit
beschleunigt und im daran anschließenden diffusorartigen Bereich zwischen
zwei benachbarten Schaufeln 33 und dem Gehäuse (nicht
dargestellt) verzögert.
Durch diese Verzögerung
erhöht
sich der Druck.
-
Die
Drehrichtung des in 2 dargestellten Verdichterlaufrads 7 ist
durch einen Pfeil 39 angedeutet. Naturgemäß ist der
Staudruck beziehungsweise der Gesamtdruck der Luft an den in Drehrichtung
vorne liegenden Oberflächen 41 der
Schaufeln 31 höher
als an den in Drehrichtung hinten liegenden Oberflächen 43 der
Schaufeln 31. Diese Druckunterschiede sind physikalisch
bedingt und können
für jede
Geometrie und Drehzahl eines Verdichterlaufrads 7 auch
quantitativ bestimmt werden.
-
Der
vergleichsweise niedrige Druck auf den in Drehrichtung hinten liegenden
Oberflächen 43 der Schaufeln 31 beinhaltet
die Gefahr von Strömungsablösungen,
die bspw. an der Eintrittskante 33 beginnen. Diese Strömungsablösungen sind
in 2 durch die Bezugszeichen 45 exemplarisch
an einer Schaufel 31 dargestellt.
-
Weitere
Strömungsablösungen können sich im
Bereich der Kante 37 bilden. Sie werden durch den Druckunterschied
zwischen den beiden Seiten des Spalts verursacht. Dieser Spalt wird
von den Kanten 37 und dem Gehäuse 1 (siehe 1)
gebildet. Diese Strömungsablösungen sind
in 2 mit dem Bezugszeichen 47 versehen.
-
Erfindungsgemäß wird nun
den in Drehrichtung vorne liegenden Oberflächen 41 und den dort herrschenden
erhöhten
Drücken
und den in Drehrichtung hinten liegenden Oberflächen 43 und den dort
herrschenden vergleichsweise geringen Drücken durch eine jeweils voneinander
verschiedene Oberflächenbehandlung
Rechnung getragen. Im Druckbereich 41 spielen Reibungseffekte
zwischen der Oberfläche
der Schaufel 31 und der zu verdichtenden Luft eine wichtige
Rolle. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
diese Bereiche mindestens teilweise mit einer besonders glatten
Oberfläche,
beispielsweise durch Aufbringen einer Beschichtung, und/oder durch
Schleifen und Polieren zu optimieren. Des Weiteren ist es auch möglich, durch
das gezielte Einbringen von Nuten, deren Zahl, Abstand und Tiefe
individuell ermittelt werden muss, eine so genannte Haifischhautstruktur
an den vorne liegenden Oberflächen 41 der
Schaufeln 31 einzubringen.
-
Alle
diese Maßnahmen
führen
jeweils gesondert oder in Kombination miteinander dazu, dass die Reibungsverluste
zwischen den Oberflächenbereichen 41 und
der zu verdichtenden Luft verringert werden und infolgedessen der
Wirkungsgrad und das Schluckvermögen
des Verdichterlaufrads 7 erhöht werden.
-
Einen ähnlichen
Effekt, jedoch basierend auf anderen physikalischen Gesetzmäßigkeiten
wird bei den in Drehrichtung hinten liegenden Bereichen 43 des
erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads 7 erzielt, indem
die Rauheit der Oberfläche
in den Bereichen 43 gezielt erhöht wird. Dies kann beispielsweise
bei gefrästen
Verdichterlaufrädern 7 durch Ändern von Drehzahl
und/oder Vorschub des Fräswerkzeugs
auf einfache und kostengünstige
Weise erfolgen. Zusätzlich
ist es auch möglich,
durch Ätzen
oder Strahlen mit einem hinsichtlich Korngröße und Härte geeigneten Strahlmittel
die Rauigkeit gezielt anzuheben.
-
Des
Weiteren kann auch durch die Oberfläche der Schaufeln im Bereich 43 gezielt
durch eine chemische und/oder physikalische Behandlung MOCPE, Aufdampfen,
Aufsputtern, MOVPE, und/oder MBE in die gewünschte Rauigkeit eingebracht
werden.
-
In 3 ist
die Abwicklung einer Schaufel 31 dargestellt. Dabei ist
die Drehrichtung vorne liegende Oberfläche 41 sichtbar. In
dieser Abwicklung sind zwei Nuten 49, die in erster Näherung parallel
zur Kante 37 der Schaufeln 31 verlaufen, dargestellt.
Bei Bedarf können
noch weitere Nuten 49 in den während des Betriebs mit erhöhtem Druck
beaufschlagten Bereichen 41 der Oberfläche der Schaufeln 31 vorgesehen
werden. Diese Nuten 49 führen dazu, dass aufgrund des
aus der Luftfahrt bekannten ”Haifischhauteffektes” der Strömungswiderstand
in der Grenzfläche
zwischen der Schaufel 31 und der zu verdichtenden Luft
reduziert wird.
-
Alternativ
oder zusätzlich
können
die in 3 sichtbaren Oberflächen der Schaufeln 31 auch durch
Schleifen und/oder Polieren und/oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung,
wie beispielsweise DLC, weiter verbessert werden. Das Schleifen und/oder
Polieren führt
zu einer Verringerung der Rauheit und infolgedessen auch zu einer
Verringerung der Reibung. Durch eine Verschleißschutzschicht, wie beispielsweise
DLC, kann nicht nur eine sehr glatte Oberfläche erzielt werden, sondern
es kann auch die Abrasionsbeständigkeit
der Schaufeln 31 im Bereich der Oberflächen 41 erhöht werden.
Dadurch ist ein solches Verdichterlaufrad 7 auch geeignet,
wenn die Brennkraftmaschine eine Niederdruck-Abgasrückführung aufweist
und die Abgase stromaufwärts
des Verdichterlaufrads in den Ansaugkanal der Brennkraftmaschine
eingekoppelt werden. Die Unvermeidbarerweise im Abgas befindlichen Partikel
können
durch die erfindungsgemäße Beschichtung
der Oberflächen 41 der
Schaufeln 31 nicht abrasiv wirken und führen daher nicht zu einer Verringerung
der Lebensdauer des Verdichterlaufrads 7.
-
In
den 3a–3b sind
verschiedene Querschnitte erfindungsgemäßer Nuten 49 stark
vergrößert dargestellt. 3a zeigt
einen dreieckigen, 3b einen rechteckigen und 3c einen
halbrunden Nutquerschnitt. Wie den Ausführungsbeispielen gemäß 3a–3c entnehmbar,
können
die Nuten 49 lateral in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sein.
-
4 zeigt
ein Kennfeld eines herkömmlichen
Verdichters und eines erfindungsgemäßen Verdichters im Vergleich.
Die durchgezogenen Linien beziehen sich auf einen herkömmlichen
Verdichter, während
die gestrichelten Linien einen Verdichter mit erfindungsgemäß gestaltetem
Verdichterlaufrad betreffen.
-
Wie
sich aus dem direkten Vergleich der entsprechenden Kennlinien eines
herkömmlichen
Verdichters und eines erfindungsgemäßen Verdichters unmittelbar
ergibt, ist beim erfindungsgemäßen Verdichter
der Punkt des maximalen Wirkungsgrads von 76° auf 78° angestiegen. Gleichzeitig konnte
die Pumpgrenze deutlich nach links verschoben werden, während die
Stopfgrenze deutlich nach rechts verschoben werden konnte. Insofern
hat das Kennfeld des erfindungsgemäßen Verdichters eine bessere Qualität in allen
Parametern und unterstreicht dadurch eindrücklich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verdichterlaufrads.