DE102008024115A1

DE102008024115A1 - Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102008024115A1
Application number: DE102008024115A
Authority: DE
Inventors: Achim Fedyna; Thanh-Hung Dr. Nguyen-Schäfer; Senol Sögüt; Gunter Dr. Winkler
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2008-05-17
Filing date: 2008-05-17
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug mit einem ansaugseitig angeordneten Verdichterrad (1) und einem drehfest damit verbundenen und einem Abgasstrom ausgesetzten Turbinenrad, wobei das Verdichterrad (1), umgebend einen Diffusor (3), vorgesehen ist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zumindest Teile einer dem Ansaugstrom oder dem Abgasstrom ausgesetzten Oberfläche des Abgasturboladers mit einer haihautartigen und eine viskose Reibung verringernden Mikrostruktur (5) versehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen, mit einem derartigen Abgasturbolader ausgestatteten Verbrennungsmotor sowie ein, mit einem derartigen Verbrennungsmotor ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Zur Erhöhung des Ladedrucks in einem Verbrennungsmotor, wird üblicherweise ein so genannter Abgasturbolader verwendet, mit welchem mehr Luft und damit auch mehr Sauerstoff pro Arbeitstakt in eine Brennkammer des Verbrennungsmotors eingebracht werden kann. Über die erhöhte eingebrachte Sauerstoffmenge, kann auch mehr Kraftstoff in die Brennkammer eingespritzt und damit die Leistung des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Bei einem derartigen Abgasturbolader, welcher mit seinem Turbinenrad dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors ausgesetzt ist und auf seiner Verdichterseite Frischluft ansaugt und dem Verbrennungsmotor zuführt, sind aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Abgasturboladers spezielle strömungstechnische Besonderheiten zu beachten. Insbesondere kann es beispielsweise durch eine sogenannte Strömungsablösung an der Saugseite des Abgasturboladers bei höheren Drehzahlen zu einer Einschränkung eines Arbeitskennfeldes kommen. In diesem Fall, bei welchem ein niedriger Massenstrom herrscht, arbeitet der Abgasturbolader, das heißt dessen Verdichterrad, an der Pumpengrenze, bei der der Verdichter aufgrund der Strömungsablösung den erforderlichen Massenstrom nicht mehr befördern kann. Aufgrund der Strömungsrezirkulation im Verdichterrad, können darüber hinaus unerwünschte Geräusche induziert werden. Prinzipiell ist dabei eine Ablöseneigung der Strömung grundsätzlich abhängig von der Konsistenz des Strömungsmediums, hier also beispielsweise der Luft, einer Anströmgeschwindigkeit, einem Anströmwinkel sowie einer Oberflächenbeschaffenheit der angeströmten Flächen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit Problem, für einen Abgasturbolader der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, bei welcher insbesondere eine Strömungsablösung zumindest reduziert wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Abgasturbolader unter bionischen Gesichtspunkten auszubilden. Dies bedeutet konkret aus der Biologie bekannte Effekte innovativ in technische Anwendungen umzusetzen. Die Bionik ist dabei ein interdisziplinärer Bereich, in dem Naturwissenschaftler und Ingenieure zusammenarbeiten. Im konkreten Beispiel wird die Übertragung von aus der Biologie bekannten Effekten auf den Abgasturbolader dadurch erreicht, dass zumindest Teile einer dem Ansaugstrom oder dem Abgasstrom ausgesetzten Oberflächen des Abgasturboladers mit einer haihautartigen und eine viskose Reibung verringernden Mikrostruktur versehen sind. Dazu muss man wissen, dass die Haihaut mit einer Vielzahl an Zähnen bzw. Riefen ausgestattet ist, welche sowohl einen Reibungswiderstand des Hais im Wasser verringern, als auch einen Befall von Parasiten nahezu gänzlich unterbinden. Generell können damit derartige haihautartige Mikrostrukturen überall dort eingesetzt werden, wo eine reibungsreduzierende Wirkung in Bezug auf ein Strömungsmedium erreicht werden soll. Mit dem Einsatz der erfindungsgemäßen Mikrostruktur an zumindest manchen Oberflächen des Abgasturboladers, können aufgrund der, in der haihautartigen Mikrostruktur enstehenden Mikrowirbel, die viskose Reibung an den betreffenden Oberflächen reduziert und dadurch eine Verzögerung einer Strömungsablösung erreicht werden. Durch die Verzögerung der Strömungsablösung wiederum, kann eine Erweiterung des Arbeitskennfeldes des Abgasturboladers erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Mikrostruktur, das heißt die Riefenstruktur, im Bereich eines Austritts, beispielsweise bei ca. 1/3 bis ½ der Schaufellänge der Verdichterschaufeln auf der Saugseite vorgesehen, wobei die einzelnen parallelen Riefen der Riefenstruktur in Schaufellängsrichtung, das heißt orthogonal zur Drehachse der Schaufeln, orientiert sind. An der Saugseite der Schaufeln nimmt dabei der Druckgradient üblicherweise stärker zu als an der Druckseite, wobei die Strömungsgeschwindigkeit einerseits aufgrund der Druckgradientenzunahme, insbesondere am Verdichteraustrittsbereich und andererseits wegen der viskosen Reibung an der Grenzschicht der Schaufeln wesentlich verlangsamt wird. Überschreitet dabei die durch die Rotation des Verdichterrades und der relativen Ausströmgeschwindigkeit verursachte Corioliskraft die Druckkraft zwischen der Druck- und Saugseite außerhalb der Strömungsgrenzschicht, muss dort mit einer Strömungsablösung gerechnet werden. Aufgrund des Energieaustausches in der viskosen Grenzschicht mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, verringern die entstehenden Mikrowirbel in der Riefenstruktur die Grenzschichtdicke der Strömung an der Schaufel, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit kurz vor dem Austritt weniger stark abgebremst wird. Dies führt generell zu einer späteren Strömungsablöse und somit zu einem deutlich breiteren Arbeitskennfeld des Verdichters bzw. des Abgasturboladers.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Mikrostruktur, insbesondere die Riefenstruktur, an Pinch- und Diffusorinnenflächen vorgesehen. Dabei richtet sich üblicherweise die axiale Riefenrichtung in radialer Richtung des Diffusors. Die absolute Strömungsgeschwindigkeit im Diffusor strömt wegen der Zentrifugalkraft schräg in die Volute (Schnecke) aus. Die schräge Anströmung induziert dabei in der Riefenstruktur der Mikrostruktur mehrere Mikrowirbel, welche den Energieaustausch im Diffusor einer viskosen Untergrenzschicht der Luft mit einer höheren Strömungsschicht unterstützen, so dass die viskose Reibung auf den Pinch- bzw. Diffusorinnenflächen reduziert wird. Wegen der geringeren viskosen Reibung, wird trotz der Druckgradientenzunahme, die Strömungsgeschwindigkeit im Diffusor nicht so stark reduziert, wie ohne die erfindungsgemäßen Mikrostrukturen, wodurch eine Strömungsablösung später erfolgt und dadurch das Arbeitskennfeld des Verdichters erweitert werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 ein Verdichterrad eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit einer zumindest bereichsweise auf diesem vorgesehenen haihautartigen Mikrostruktur,
2 eine Detaildarstellung der haihautartigen Mikrostruktur,
3 die erfindungsgemäße Mikrostruktur auf einem Bereich einer Diffusoroberfläche.
Entsprechend der 1, weist ein Verdichterrad 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers für ein Kraftfahrzeug, insgesamt sechs Schaufeln 2 auf. Das Verdichterrad 1 ist dabei üblicherweise auf einer Ansaugseite des Abgasturboladers angeordnet und über eine nicht gezeigte Welle drehfest mit einem, einem Abgasstrom ausgesetzten, Turbinenrad, verbunden. Radial umgeben ist das Verdichterrad 1 üblicherweise von einem Diffusor 3 (vgl. 3), in welchem die Strömungsgeschwindigkeit verringert und der Druck jedoch erhöht wird. Der Diffusor 3 wird dabei üblicherweise über eine schneckenartige Volute 4 als Strömungskanal angeschlossen.
Abgasturbolader werden dabei bekannter Weise dazu verwendet, einen Ladedruck in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors zu erhöhen, so dass während eines Brennvorganges mehr Sauerstoff und damit auch mehr Kraftstoff verbrannt werden kann, um so die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors, ist es dabei erforderlich, dass der Abgasturbolader, welcher generell auch als allgemeine Ladeeinrichtung ausgebildet sein kann, unterschiedlich hohe Ladedrücke für optimalen Wirkungsgrad liefert. Insbesondere bei hohen Drehzahlen des Verdichterrades 1 bei gleichzeitig kleinen Massenströmen, arbeitet der Abgasturbolader jedoch an der Pumpengrenze, bei welcher das Verdichterrad 1 aufgrund einer Strömungsablösung am Austritt der Saugseite den erforderlichen Massenstrom nicht mehr befördern kann. Die Ablösung der Strömung speziell im Diffusor 3, wird dabei als so genannter „Diffusor stall” bezeichnet, dessen unangenehmer Nebeneffekt es ist, das Arbeitskennfeld des Abgasturboladers deutlich zu schmälern.
Ziel der Erfindung ist es somit, eine Neigung zur Strömungsablösung, speziell im Diffusor 3, zu verringern, um so das Arbeitskennfeld des Abgasturboladers, speziell des Verdichters, erhöhen zu können. Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, dass zumindest Teile einer dem Ansaugstrom oder dem Abgasstrom ausgesetzten Oberfläche des Abgasturboladers, beispielsweise auch des Verdichterrades 1, mit einer haihautartigen und eine viskose Reibung verringernden Mikrostruktur 5 versehen sind. Hierbei ist denkbar, dass zumindest Teilbereiche des Diffusors 3, der Schaufeln 2 des Verdichterrades 1 und/oder der Schaufel des nicht gezeigten Turbinenrades mit der haihautartigen und die viskose Reibung verringernden Mikrostruktur 5 versehen sind. Die Mikrostruktur 5 ist dabei üblicherweise als Riefenstruktur mit parallel zueinander verlaufenden Riefen 6 (vgl. 2 und 3) ausgebildet, wobei eine Riefenbreite S vorzugsweise zwischen 30 und 50 μm und eine Riefenhöhe H vorzugsweise zwischen 15 und 25 μm liegt.
Die Riefenstruktur kann im Bereich eines Austrittes, beispielsweise bei 1/3 bis ½ der Schaufellänge der (Verdichter-)schaufeln 2 an der Saugseite vorgesehen sein, wobei die einzelnen, parallelen Riefen 6 der Riefenstruktur in Schaufellängsrichtung, das heißt orthogonal zu einer Drehachse 7 der Schaufeln 2 bzw. des Verdichterrades 1, orientiert sind. Generell kann dabei die erfindungsgemäße Mikrostruktur 5 an sämtlichen strömungsbeaufschlagten Oberflächen des Abgasturboladers, also insbesondere an Oberflächen des Diffusors 3 bzw. des Verdichterrades 1 sowie auch des Turbinenrades, vorgesehen sein oder aber auch nur auf strömungsrelevante Bereiche der einzelnen Komponenten des Abgasturboladers beschränkt sein. Denkbar ist somit, dass die Mikrostruktur 5, das heißt die Riefenstruktur, beispielsweise auf ein in Radialrichtung gesehen äußeres Drittel der (Verdichter-)schaufeln 2 auf der Saugseite beschränkt ist.
Bei einem Diffusor 3, wie er beispielsweise in der 3 dargestellt ist, kann die Riefenstruktur, das heißt die Mikrostruktur 5, insbesondere an einer Pinch-Innenfläche 8 und/oder an einer Diffusorinnenfläche 9 vorgesehen sein. Die einzelnen Riefen 6 der Mikrostruktur 5 verlaufen dabei üblicherweise in Radialrichtung der Pinch-Innenfläche 8 bzw. der Diffusorinnenfläche 9.
Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weisen die Riefen 6 der Riefenstruktur bzw. der Mikrostruktur 5 einen keilförmigen Querschnitt mit einem relativ spitzen Grat und einem abgeschrägten Übergang auf. Denkbar sind selbstverständlich aber auch andere Querschnittsformen, wobei sämtliche gewählte Querschnittsformen die viskose Reibung mindernden Eigenschaften gemein sein sollten.
Betrachtet man die 3, so fällt auf, dass sich eine Axialrichtung 10 der Riefen 6 in radialer Richtung des Diffusors 3 orientiert. Die absolute Strömungsgeschwindigkeit w im Diffusor 3 strömt aufgrund der Zentrifugalkraft schräg in die Volute 4 aus. Die Strömungsgeschwindigkeit w ist dabei generell aus zwei Geschwindigkeitskomponenten u und v zusammengesetzt, und induziert in der Mikrostruktur mehrere Mikrowirbel 11 (vgl. 2). Diese Mirkowirbel 11 unterstützten einen Energieaustausch einer viskosen Untergrenzschicht der Luft mit einer höheren Strömungsschicht, wodurch die viskose Reibung an sich reduziert und damit der Strömungswiderstand auf den Pinch-Innenoberflächen 8 bzw. den Diffusorinnenoberflächen 9 vermindert werden kann. Wegen der geringeren viskosen Reibung auf den Oberflächen 8 und 9, wird trotz der Druckgradientenzunahme die Strömungsgeschwindigkeit w im Diffusor 3 nicht übermäßig stark reduziert, sodass eine Verzögerung der Strömungsablösung bewirkt und damit das Arbeitskennfeld des Verdichters erweitert werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen haihautartigen Mikrostruktur 5 können somit oberflächennahe Mikrowirbel 11 erzeugt werden, welche die viskose Reibung und damit einen Strömungswiderstand deutlich herabsetzen. Die Herabsetzung der Reibung führt zu einer Verzögerung, das heißt zu einer späteren Strömungsablösung und somit zu einem deutlich breiteren Arbeitskennfeld des Verdichters.

Claims

Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug mit einem ansaugseitig angeordneten Verdichterrad (1) und einem drehfest damit verbundenen und einem Abgasstrom ausgesetzten Turbinenrad, wobei das Verdichterrad (1) umgebend ein Diffusor (3) vorgesehen ist, durch gekennzeichnet, dass zumindest Teile einer dem Ansaugstrom oder dem Abgasstrom ausgesetzten Oberfläche des Abgasturboladers mit einer haihautartigen und eine viskose Reibung verringernden Mikrostruktur (5) versehen sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Oberflächenbereiche des Diffusors (3), der Schaufeln (2) des Verdichterrades (1) und/oder der Schaufeln des Turbinenrades mit der haihautartigen und die viskose Reibung verringernden Mikrostruktur (5) versehen sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) als Riefenstruktur ausgebildet ist, wobei eine Riefenbreite 30 < S < 50 μm und eine Riefenhöhe 15 < H < 25 μm beträgt.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefenstruktur im Bereich eines Austritts der Schaufeln (2) vorgesehen ist, wobei die einzelnen parallelen Riefen (6) der Riefenstruktur in Schaufellängsrichtung, das heißt orthogonal zur Drehachse (7) der Schaufeln (6), orientiert sind.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefenstruktur auf ein in Radialrichtung gesehen äußeres Drittel bis zur Hälfte der Schaufeln (2) an der Saugseite beschränkt ist.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (5) an Pinch- und Diffusorinnenflächen (8, 9) vorgesehen ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Riefen (6) der Mikrostruktur (5) in Radialrichtung der Pinch- und Diffusorinnenflächen (8, 9) erstrecken.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Riefen (6) der Mikrostruktur (5) einen keilförmigen Querschnitt aufweisen.
Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 9.