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Die
Erfindung betrifft einen Verdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 bzw. Patentanspruchs 7 angegebenen Art für eine Brennkraftmaschine.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs.
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Ein
derartiger Verdichter ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt
und umfasst ein Verdichtergehäuse,
innerhalb dessen ein Verdichterrad angeordnet ist, mittels welchem
Luft aus einem Zuströmkanal
des Verdichtergehäuses
zu verdichten und in einen Auslasskanal des Verdichtergehäuses zu
leiten ist. Die Entwicklung derartiger Verdichter für aufgeladene
Brennkraftmaschinen mit einem gewünschten Momentenverhalten erfordert
dabei zunehmend breitere Verdichterkennfelder. Das Verdichterkennfeld,
in dem das Verhältnis
des Ausgangsdrucks zum Eingangsdruck des Verdichters gegenüber dem
Massedurchsatz aufgetragen ist, ist auf der einen Seite durch die
sogenannte Pumpgrenze des Verdichters, d. h. die minimal mögliche Volumenförderung,
und auf der anderen Seite durch die sogenannte Stopfgrenze des Verdichters,
d. h. die maximal mögliche
Volumenförderung,
begrenzt. Im Bereich zwischen der Pump- und der Stopfgrenze ist
ein stabiler Betrieb des Verdichters und damit der Brennkraftmaschine
möglich.
Zur Verbreiterung des Verdichterkennfelds werden seit geraumer Zeit
sogenannte kennfeldstabilisierende Maßnahmen (KSM) eingesetzt. Hierbei
umfasst das Verdichtergehäuse des
Verdichters einen Bypasskanal, der eine erste Strömungsöffnung stromauf
eines Verdichterradeintritts des Verdichterrads und eine zweite
Strömungsöffnung stromab
des Verdichterradeintritts im Bereich des Verdichterrads umfasst.
In einem Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze ist es hierbei möglich, die
Luft über
dem Verdichterrad durch die zweite Strömungsöffnung in den Bypasskanal abzuführen und
nach dem Ausleiten aus der ersten Strömungsöffnung wieder zum Verdichterradeintritt
zu leiten. Dadurch wird der in das Verdichterrad eintretende Massenstrom
um bis zu fünfzig
Prozent erhöht.
In Betriebsbereichen nahe der Stopfgrenze ist die Strömungsrichtung
entgegengesetzt. Die Einströmung auf
das Verdichterrad erfolgt somit einerseits durch den Zuströmkanal und
andererseits über
den Bypasskanal, indem Luft durch die erste Strömungsöffnung in den Bypasskanal eintritt
und durch die zweite Strömungsöffnung auf
das Verdichterrad geleitet wird. Hierdurch wird der engste Querschnitt
des Verdichterrads im Bereich seines Verdichterradeintritts teilweise
umgangen, so dass eine höhere
Luftmasse durch den Verdichter gefördert werden kann.
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Als
nachteilig an den bekannten Verdichtern ist dabei jedoch der Umstand
anzusehen, dass sich während
des Betriebs nahe der Pump- bzw. der Stopfgrenze Strömungswirbel
und Strömungsablösungen im
Bereich des Bypasskanals bilden, die zu entsprechenden Strömungsverlusten
und Instabilitäten
im Verdichterbetrieb führen.
Zudem wird durch die Strömungswirbel
der effektive Strömungsquerschnitt
des Bypasskanals verringert, so dass nicht die volle Massenstromerhöhung erreicht
werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Verdichter der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher insbesondere in Betriebsbereichen
nahe der Pump- und der Stopfgrenze verbesserte Strömungseigenschaften
besitzt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. 7
sowie durch einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben,
wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Verdichter als vorteilhafte
Ausgestaltungen des Abgasturboladers anzusehen sind.
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Ein
Verdichter für
eine Brennkraftmaschine, welcher insbesondere in Betriebsbereichen
nahe der Pump- und der Stopfgrenze verbesserte Strömungseigenschaften
besitzt, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen,
dass der Bypasskanal im Bereich seiner zweiten Strömungsöffnung zumindest
abschnittsweise eine sich im Querschnitt bogenförmig erweiternde Kanalwand
aufweist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der Bypasskanal
im Bereich seiner zum Verdichterrad gerichteten Strömungsmündung im Gegensatz
zum Stand der Technik ausgerundete Kanten aufweist. Auf diese Weise
wird überraschenderweise
die Ausbildung von Strömungswirbeln
in Betriebsbereichen nahe der Pump- oder Stopfgrenze zuverlässig verhindert,
wodurch sich eine entsprechende Verbreiterung des Verdichterkennfelds
sowie die damit verbundene Wirkungsgradsteigerung ergibt.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Kanalwand des Bypasskanals
im Bereich seiner zweiten Strömungsöffnung zumindest
abschnittsweise im Querschnitt kreisbogenförmig ausgebildet ist. Hierdurch
wird während
des Betriebs eine besonders stabile Strömungsführung mit einer entsprechend
zuverlässigen
Vermeidung von Strömungswirbeln
sowohl im Bereich der Pump- als auch im Bereich der Stopfgrenze
sichergestellt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
besonders vorteilhafte Strömungsführung dadurch
sichergestellt, dass die kreisbogenförmige Kanalwand einen Radius
zwischen 1,5 mm und 5,5 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 5 mm,
besitzt. Radien unter 1,5 mm zeigen üblicherweise keine ausreichende
Beeinflussung der Strömung.
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Eine
besonders gleichmäßige Anströmung des
Verdichterrads ist in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht,
dass der Bypasskanal bezüglich
einer Drehachse des Verdichterrads radial umlaufend ausgebildet
ist.
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Indem
der Bypasskanal einen die erste Strömungsöffnung umfassenden ersten Teilkanal
und einen die zweite Strömungsöffnung umfassenden zweiten
Teilkanal umfasst, welche vorzugsweise gewinkelt zueinander angeordnet
sind, ist es in weiterer Ausgestaltung in der Erfindung möglich, der
Strömung
einen gewünschten
Drall aufzuprägen.
Hierdurch wird die Anströmung
des Verdichterrads über den
gesamten Betriebsbereich zusätzlich
verbessert.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem Strömungsquerschnitte
des ersten und des zweiten Teilkanals ein Verhältnis unter 1,3 und vorzugsweise
unter 1,1 zueinander aufweisen und/oder dass ein Strömungsquerschnitt
des Bypasskanals veränderlich entlang
des ersten und des zweiten Teilkanals ausgebildet ist. Auf diese
Weise ist besonders zuverlässig sichergestellt,
dass es zu keinen unerwünschten Strömungsablösungen innerhalb
des Bypasskanals kommt. Dies ermöglicht
eine zusätzliche
Verbreiterung des Verdichterkennfelds und einen entsprechend stabilen
Betrieb des Verdichters über
einen größeren Betriebsbereich.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Brennkraftmaschine,
wobei verbesserte Strömungseigenschaften
insbesondere in Betriebsbereichen nahe der Pump- und der Stopfgrenze
erfindungsgemäß dadurch
sichergestellt sind, dass der Bypasskanal des Verdichters einen
die erste Strömungsöffnung umfassenden
ersten Teilkanal und einen die zweite Strömungsöffnung umfassenden zweiten
Teilkanal umfasst, wobei Strömungsquerschnitte
des ersten und des zweiten Teilkanals ein Verhältnis unter 1,3 und vorzugsweise
unter 1,1 zueinander aufweisen und/oder veränderlich entlang des ersten
und des zweiten Teilkanals ausgebildet sind. Hierdurch kann das
aus aerodynamischer Sicht nachteilige Strömungsphänomen einer Strömungsablösung im
Bereich des Bypasskanals zuverlässig vermieden
werden, wodurch eine entsprechende Verbreiterung des Verdichterkennfelds
mit einer entsprechenden Verschiebung der Pump- und der Stopfgrenze erzielt werden.
Die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Verdichter
vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen
und Weiterbildungen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für den vorliegenden
Verdichter und umgekehrt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Strömungsquerschnitte
des ersten und des zweiten Teilkanals entlang des ersten und des
zweiten Teilkanals, vorzugsweise kontinuierlich, zunehmend ausgebildet
sind. Mit anderen Worten ist eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts
entlang des Bypasskanals vorgesehen, wodurch abrupte Querschnittsänderungen
innerhalb des Bypasskanals vermieden werden.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn
die Teilkanäle
zueinander gewinkelt angeordnet sind. Hierdurch kann dem Luftstrom
ein gewünschter
Drall aufgeprägt
werden, wodurch eine entsprechend verbesserte Anströmung des
Verdichterrads ermöglicht
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Bypasskanal im Bereich seiner ersten und/oder zweiten Strömungsöffnung zumindest
abschnittsweise eine sich im Querschnitt bogenförmig erweiternde Kanalwand aufweist.
Mit Hilfe dieser Kanalwand kann das Entstehen von Strömungswirbeln
insbesondere in Betriebsbereichen nahe der Pump- oder Stopfgrenze zuverlässig vermieden
werden, wodurch sich eine entsprechende Verbreiterung des Verdichterkennfelds
ergibt. Weitere sich ergebende Vorteile sind aus den vorhergehenden
Beschreibungen zu entnehmen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, welcher eine Abgasturbine zur Anordnung in
einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine und einen Verdichter nach
einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele
zur Anordnung in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine umfasst. Mithilfe
des erfindungsgemäß ausgestalteten
Verdichters ist eine Verdichterkennfeldverbreiterung ermöglicht,
wodurch der Wirkungsgrad des Verdichters und damit des Abgasturboladers
bzw. der Brennkraftmaschine vorteilhaft erhöht und der Treibstoffverbrauch
der Brennkraftmaschine vorteilhaft gesenkt werden kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines
Verdichters gemäß dem Stand
der Technik; und
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2 eine
schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht eines
erfindungsgemäßen Verdichters
nach einem Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
eines aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters 10 für eine Brennkraftmaschine
(nicht abgebildet). Der Verdichter 10 weist ein Verdichtergehäuse 12 auf,
innerhalb welchem ein Verdichterrad 14 angeordnet ist.
Mithilfe des Verdichterrads 14 kann Luft aus einem Zuströmkanal 16 des
Verdichtergehäuses 12 verdichtet,
in einen Auslasskanal 18 und von dort aus weiter zu Zylindern
der Brennkraftmaschine geleitet werden. Als sogenannte kennfeldstabilisierende
Maßnahme (KSM)
umfasst das Verdichtergehäuse 12 einen
Bypasskanal 20, der eine erste Strömungsöffnung 22a stromauf
eines Verdichterradeintritts 24 des Verdichterrads 14 sowie
eine zweite Strömungsöffnung 22b stromab
des Verdichterradeintritts 24 im Bereich des Verdichterrads 14 umfasst.
Der Bypasskanal 20 umfasst seinerseits einen ersten und
einen zweiten Teilkanal 20a, 20b, die gewinkelt
zueinander angeordnet sind, so dass der Strömung ein gewünschter
Drall aufgeprägt
werden kann. Die Wirkungsweise der KSM ist dabei derart, dass in
Betriebsbereichen nahe der Pumpgrenze des Verdichters 10 Luft
gemäß Pfeil I über dem
Verdichterrad 14 abgeführt
und vor dem Verdichterrad 14 zum Verdichterradeintritt 24 zurückgeleitet
werden kann. Hierdurch kann der in das Verdichterrad 14 eintretende
Massenstrom um bis zu fünfzig
Prozent erhöht
werden. In Betriebsbereichen nahe der Stopfgrenze des Verdichters 10 ist
die Strömungsrichtung
entgegengesetzt der durch den Pfeil I symbolisierten Strömungsrichtung.
Hierbei erfolgt demnach eine Einströmung in den Verdichter 10,
wobei der engste Querschnitt des Verdichterrads 14 im Bereich
seines Verdichterradeintritts 24 teilweise umgangen wird
und die Luft gleichzeitig durch den Zuströmkanal 16 und den
Bypasskanal 20 auf das Verdichterrad 14 geleitet
wird. Auch hierdurch wird ein höherer
Massenstrom erzielt, so dass das Verdichterkennfeld insgesamt verbreitert
wird. Problematisch ist hierbei, dass die Strömung insbesondere in Betriebsbereichen
nahe der Pump- und der Stopfgrenze aufgrund von Überströmungen des Bypasskanals 20 und
der starken Umlenkung der Strömung in
Bypasskanalrichtung Strömungswirbel
ausbildet, wodurch es zu entsprechenden Strömungsverlusten und Instabilitäten im Verdichterbetrieb
kommt. Ein weiteres, aus aerodynamischer Sicht nachteiliges Strömungsphänomen stellt
weiterhin eine Strömungsablösung im
Bereich des Bypasskanals 20 bzw. des ersten Teilkanals 20a während des
Betriebs des Verdichters 10 dar. Durch die abrupte Querschnittsveränderung
zwischen den beiden Teilkanälen 20a, 20b ergibt
sich vor allem in Betriebspunkten nahe der Pump- und der Stopfgrenze
ein die Strömung
behinderndes Ablösegebiet.
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2 zeigt
eine schematische und ausschnittsweise seitliche Schnittansicht
eines erfindungsgemäßen Verdichters 30.
In Analogie zum in 1 beschriebenen Verdichter 10 gemäß dem Stand
der Technik umfasst auch der erfindungsgemäße Verdichter ein Verdichtergehäuse 32,
innerhalb dessen ein Verdichterrad 34 angeordnet ist, mittels
welchem Luft aus einem Zuströmkanal 36 zu
verdichten und in einen Auslasskanal 38 des Verdichtergehäuses 32 zu
leiten ist. Das Verdichtergehäuse 32 umfasst
seinerseits einen Bypasskanal 40 mit einem ersten Teilkanal 40a und
einem zweiten Teilkanal 40b, wobei eine erste Strömungsöffnung 42a des
Bypasskanals 40 bzw. des ersten Teilkanals 40a stromauf
eines Verdichterradeintritts 44 und eine zweite Strömungsöffnung 42b stromab
des Verdichterradeintritts 44 im Bereich des Verdichterrads 34 angeordnet
ist. Im Unterschied zum in 1 beschriebenen
Verdichter 10 weist vorliegend der Bypasskanal 40 des
Verdichters 30 im Bereich seiner zweiten Strömungsöffnung 42b eine
sich im Querschnitt bogenförmig
erweiternde Kanalwand 46 auf. Zur Verdeutlichung ist die
im Querschnitt gewinkelt ausgebildete Kanalwand 26 des
Verdichters 10 strichpunktiert angedeutet. Mithilfe der
sich im Querschnitt bogenförmig
erweiternden Kanalwand 46 wird während des Betriebs des Verdichters 30 insbesondere
im Betriebsbereichen nahe der Pump- und der Stopfgrenze eine unerwünschte Strömungswirbelbildung
zuverlässig
verhindert. Hierdurch werden Strömungsverluste
und Instabilitäten
im Verdichterbetrieb vermieden, wodurch sich insgesamt eine erhebliche
Verbreiterung des Verdichterkennfelds sowie eine entsprechende Wirkungsgradsteigerung
eines zugeordneten Abgasturboladers bzw. einer zugeordneten Brennkraftmaschine
ergeben. Die Kanalwand 46 kann dabei grundsätzlich im
Querschnitt elliptisch oder kreisbogenförmig ausgebildet sein, wobei
sich im Fall einer kreisbogenförmigen
Ausgestaltung ein Radius zwischen 1,5 mm und 5,5 mm und insbesondere
zwischen 2 mm und 5 mm hinsichtlich der Strömungsbeeinflussung als besonders
vorteilhaft gezeigt hat. In Abhängigkeit
der konkreten Ausgestaltung des Verdichters 30 können jedoch
auch abweichende Radien vorgesehen sein. Die beiden Teilkanäle 40a, 40b sind
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
bezüglich
einer Drehachse (nicht gezeigt) des Verdichterrads 34 ringförmig umlaufend
ausgebildet und in einem Winkel zueinander angeordnet. Grundsätzlich kann
vorgesehen sein, dass die Teilkanäle 40a, 40b bogenförmig bzw.
abgerundet ineinander übergehen.
Weiterhin weisen der Strömungsquerschnitt
Da des ersten Teilkanals 40a und der Strömungsquerschnitt
Db des zweiten Teilkanals 40b ein Verhältnis unter 1,1 zueinander
auf, wodurch unerwünschte
Strömungsablösungen insbesondere
im ersten Teilkanal 40a vermieden werden. Alternativ kann
vorgesehen sein, dass sich die Strömungsquerschnitte Da bzw. Db
der beiden Teilkanäle 40a, 40b – vorzugsweise
kontinuierlich – aufweiten
oder verengen, da auch hierdurch eine abrupte Querschnittsänderung
und die damit verbundenen Strömungsverwirblungen
und -ablösungen
zuverlässig
verhindert werden.