DE102008026744A1 - Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10) und einem innerhalb des Verdichtergehäuses (10) angeordneten Verdichterrad (12), dessen Verdichterradeintritt (14) im Bereich eines Zuströmkanals (16) des Verdichtergehäuses (10) angeordnet ist, wobei das Verdichtergehäuse (10) einen Gasführungskanal (20) umfasst, dessen erste Strömungsöffnung (20a) stromauf des Verdichterradeintritts (14) und dessen zweite Strömungsöffnung (20b) stromab des Verdichterradeintritts (14) angeordnet sind, wobei das Verdichtergehäuse (10) wenigstens einen weiteren Gasführungskanal (20') umfasst, mittels welchem eine Pumpgrenze des Verdichters zu senken ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
  • Ein derartiger Verdichter ist bereits aus dem Kraftfahrzeugserienbau bekannt und umfasst ein Verdichtergehäuse sowie innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnetes Verdichterrad, dessen Verdichterradeintritt im Bereich eines Zuströmkanals des Verdichtergehäuses angeordnet ist. Zur Kennfeldverbreiterung derartiger Verdichter werden sogenannte kennfeldstabilisierenden Maßnahmen (KSM) eingesetzt. Das Verdichterkennfeld ist dabei einerseits durch die Pumpgrenze, das heißt die minimal mögliche Volumenförderung, und andererseits durch die Stopfgrenze, das heißt die maximal mögliche Volumenförderung, begrenzt. Zwischen der Pump- und der Stopfgrenze ist ein stabiler Betrieb des Verdichters möglich. Unterhalb der Pumpgrenze kommt es jedoch aufgrund von Strömungsablösungen und Fehlanströmungen zu Pumpstößen, welche einen stabilen Betrieb des Verdichters verhindern und bereits nach kurzen Laufzeiten zu erheblichen Beschädigungen führen können. Um die Pumpgrenze zu kleineren Massedurchsätzen hin verschieben zu können, umfasst das Verdichtergehäuse daher zusätzlich einen Gasführungskanal, dessen erste Strömungsöffnung stromauf des Verdichterradeintritts und dessen zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts angeordnet sind. Hierdurch kann in einem Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze das Gas über dem Verdichterrad abgeführt und zurück zum Verdichterradeintritt transportiert werden. Dadurch wird der Massenstrom am Verdichterradeintritt um bis zu 50% erhöht und eine Absenkung der Pumpgrenze ermöglicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher auf konstruktiv einfache Weise eine stabile Absenkung seiner Pumpgrenze ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Ein Verdichter, dessen Pumpgrenze hin zu kleinen Masseströmen stabil verschiebbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass das Verdichtergehäuse wenigstens einen weiteren Gasführungskanal umfasst. Der weitere Gasführungskanal stellt ein konstruktiv einfaches Mittel dar, um die Turbulenz der Strömung des zu verdichtenden Gases zu erhöhen, wodurch dessen Ablöseneigung vom Verdichterrad verringert und die Pumpgrenze des Verdichters entsprechend gesenkt wird. Alternativ oder zusätzlich können in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung des weiteren Gasführungskanals einsetzende Ablösevorgänge des zu verdichtenden Gases am Verdichterradeintritt verzögert bzw. gedämpft werden, wodurch sich ebenfalls eine Absenkung der Pumpgrenze des Verdichters ergibt. Zusammenfassend ermöglicht der weitere Gasführungskanal eine signifikante Kennfeldverbreiterung und eine damit verbundene Wirkungsgradsteigerung des Verdichters.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters;
  • 2 eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
  • 4 eine schematische und ausschnittsweise frontale Schnittansicht des Verdichters entlang der in 3 gezeigten Schnittlinie IV-IV.
  • 1 zeigt eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine. Der Verdichter umfasst dabei ein Verdichtergehäuse 10 sowie ein innerhalb des Verdichtergehäuses 10 angeordnetes Verdichterrad 12, dessen Verdichterradeintritt 14 im Bereich eines axial verlaufenden Zuströmkanals 16 des Verdichtergehäuses 10 angeordnet ist. Das Verdichterrad 12 kann über eine nicht abgebildete Welle in an sich bekannter Weise von einem Turbinenrad angetrieben werden, saugt Gas durch den Zuströmkanal 16 an und leitet sie nach dem Verdichten gemäß Pfeil Ia durch einen Diffusor 18 und einen Spiralkanal (nicht abgebildet) zu Zylindern einer zugeordneten Brennkraftmaschine. Als kennfeldstabilisierende Maßnahme (KSM) umfasst das Verdichtergehäuse 10 einen Gasführungskanal 20 umfasst, dessen erste Strömungsöffnung 20a stromauf des Verdichterradeintritts 14 und dessen zweite Strömungsöffnung 20b stromab des Verdichterradeintritts 14 angeordnet sind. Die Wirkweise des Gasführungskanals 20 ist derart, dass in Betriebsbereichen nahe der Pumpgrenze des Verdichters das Gas gemäß Pfeil Ib über dem Verdichterrad 12 abgeführt und vor dem Verdichterrad 12 wieder eingeleitet wird. Dadurch wird der in das Verdichterrad 12 eintretende Gasmassenstrom um bis zu 50% erhöht. Die Erhöhung des tatsächlich eintretenden Massenstroms am Verdichterradeintritt 14 führt dazu, dass Fehlanströmungen (Inzidenz) bei Betriebspunkten in der Nähe der Pumpgrenze reduziert werden. Auf diese Weise wird die Gefahr des Ablösens der Gasströmung aufgrund günstigerer Anströmverhältnisse reduziert. Dies kann beispielsweise anhand von Geschwindigkeitsdreiecken mit den Geschwindigkeitsvektoren Radialgeschwindigkeit, Umfangsgeschwindigkeit und Winkelgeschwindigkeit der Strömung am Verdichterrad 12 veranschaulicht werden. Im Gegensatz zu Verdichtern ohne kennfeldstabilisierende Maßnahmen können bei vergleichbaren Umfangsgeschwindigkeiten der Strömung betragsmäßig höhere Radial- und Winkelgeschwindigkeiten erzielt werden. Gleichzeit werden auch die Strömungsverluste am Verdichterradeintritt 14 verringert, da die Umlenkung des Gasstroms reduziert wird. In Betriebspunkten nahe der Stopfgrenze ist die Strömungsrichtung umgekehrt. Hier erfolgt demnach eine radiale Einströmung auf das Verdichterrad 12, wodurch der engste Querschnitt des Verdichterrads 12 am Verdichterradeintritt 14 umgangen und so eine höhere Gasmasse durch den Verdichter gefördert werden kann.
  • 2 zeigt eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der grundsätzliche Aufbau ist dabei bereits aus 1 bekannt. Im Unterschied zum in 1 gezeigten Verdichter umfasst das Verdichtergehäuse 10 des erfindungsgemäßen Verdichters jedoch wenigstens einen weiteren Gasführungskanal 20', mittels welchem die Pumpgrenze des Verdichters weiter abgesenkt und ein stabiler Betrieb über ein verbreitertes Verdichterkennfeld ermöglicht ist. Der weitere Gasführungskanal 20' umfasst dabei eine erste Strömungsöffnung 20'a stromauf des Verdichterradeintritts 14 sowie eine zweite Strömungsöffnung 20'b stromab des Verdichterradeintritts 14 und stellt hierdurch einen zusätzlichen Strömungspfad zur Verfügung, mittels welchem eine Turbulenzerhöhung des Gasstroms im gehäuseseitigen Verdichterschaufelbereich erzielbar ist. Die zweite Strömungsöffnung 20'b des weiteren Gasführungskanals 20' mündet in einem vorbestimmten Abstand h gegenüber dem Verdichterrad 14 in den Gasführungskanal 20. Durch die Festlegung auf den vorbestimmten Abstand h kann dabei vorteilhaft das treibende Druckgefälle für die Turbulenzerzeugung eingestellt werden. Zur weiteren Beeinflussung der Strömung des zu verdichtenden Gases kann vorgesehen sein, dass der weitere Gasführungskanal 20' zusätzlich ein Strömungsteil 22 umfasst, welches vorliegend im Nahbereich des Verdichterradeintritts 14 angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, mit möglichst geringen Strömungsverlusten nur eine lokale Turbulenzerhöhung im gehäuseseitigen Bereich des Verdichterradeintritts 14 zu erwirken. Hierdurch wird die Ablöseneigung des Gasstroms insbesondere im ablösegefährdeten Radaussenbereich zusätzlich reduziert. Das Strömungsteil 22 kann beispielsweise als Leitgitter ausgebildet sein, wodurch wahlweise eine Gegendrallströmung oder eine Mitdrallströmung erzeugt werden kann. Durch die hauptsächlich axial gerichtete Zuströmung erfolgt dann eine lokale Turbulenzerzeugung vor dem Verdichterradeintritt 14. Eine weitere Möglichkeit der Turbulenzerzeugung stellt die radiale Einblasung hochturbulenter Strömung durch ein entsprechend geartetes Strömungsteil 22 dar, so dass die Turbulenzerzeugung zusätzlich oder alternativ bereits im Bereich des Gasführungskanals 20 erfolgen kann. Dabei kann in weiterer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Strömungsteil 22 den Massenstrom durch den weiteren Gasführungskanal 20' derart reguliert, dass während des Betriebs des Verdichters der Gasmassenstrom durch den Gasführungskanal 20 größer ist als derjenige durch den weiteren Gasführungskanal 20'. Dadurch ist es möglich den größten Teil der rezirkulierenden Luftmasse möglichst verlustfrei zu transportieren wohingegen ein geringerer Luftmassenanteil mit meist höheren Strömungsverlusten zur Turbulenzerzeugung genutzt wird. Grundsätzlich können natürlich auch drei oder mehr Gasführungskanäle 20 zur Beeinflussung der Gasströmung vorgesehen sein.
  • 3 zeigt eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und wird in Zusammenschau mit 4 erläutert werden, welche eine schematische und ausschnittsweise frontale Schnittansicht des Verdichters entlang der in 3 gezeigten Schnittlinie IV-IV zeigt. Im Unterschied zum Verdichter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die inzidenzmindernde Funktion der KSM vorliegend mit Hilfe eines im Nahbereich vor dem Verdichterradeintritt 14 angeordneten weiteren Gasführungskanal 20' ermöglicht. Der Gasführungskanal 20' ist damit als Vorvolumen ausgebildet und besitzt lediglich eine erste Strömungsöffnung 20'a stromauf des Verdichterradeintritts 14, durch welche Gas ein- und ausströmen kann. Der weitere Gasführungskanal 20' kann somit bei Einsetzen von Ablösevorgängen an den äußeren Spitzen des Verdichterrads 12 im Bereich des Verdichterradeintritts 14 damit verbundene Rückströmungen aufnehmen und eine ablösedämpfende Wirkung erzeugen, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters ebenfalls vorteilhaft und betriebsstabil abgesenkt wird. Der weitere Gasführungskanal 20' kann grundsätzlich rotationssymmetrisch (s. 4) oder asymmetrisch ausgebildet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der weitere Gasführungskanal 20' ein turbulenzsteigerndes Strömungsteil 22 umfasst. Grundsätzlich kann natürlich auch vorgesehen sein, dass der Verdichter zusätzlich einen weiteren Gasführungskanal 20' gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst.

Claims (6)

  1. Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10) und einem innerhalb des Verdichtergehäuses (10) angeordneten Verdichterrad (12), dessen Verdichterradeintritt (14) im Bereich eines Zuströmkanals (16) des Verdichtergehäuses (10) angeordnet ist, wobei das Verdichtergehäuse (10) einen Gasführungskanal (20) umfasst, dessen erste Strömungsöffnung (20a) stromauf des Verdichterradeintritts (14) und dessen zweite Strömungsöffnung (20b) stromab des Verdichterradeintritts (14) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (10) wenigstens einen weiteren Gasführungskanal (20') umfasst, mittels welchem eine Pumpgrenze des Verdichters zu senken ist.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gasführungskanal (20') eine erste Strömungsöffnung (20'a) stromauf des Verdichterradeintritts (14) umfasst.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gasführungskanal (20') eine zweite Strömungsöffnung (20'b) stromab des Verdichterradeintritts (14) umfasst.
  4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strömungsöffnung (20'b) des weiteren Gasführungskanals (20') in den Gasführungskanal (20) mündet und/oder in einem vorbestimmten Abstand (h) gegenüber dem Verdichterrad (12) angeordnet ist.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gasführungskanal (20') ein Strömungsteil (22) umfasst, mittels welchem eine Strömung des zu verdichtenden Gases beeinflussbar ist.
  6. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gasführungskanal (20') rotationssymmetrisch und/oder asymmetrisch ausgebildet ist.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102012203801A1 (de) * 2012-03-12 2013-09-12 Man Diesel & Turbo Se Radialverdichter
EP2535595A4 (de) * 2010-02-09 2018-03-21 IHI Corporation Zentrifugalverdichter mit einer asymmetrischen selbst-rückzirkulierenden gehäusebearbeitung
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