DE102008047506A1

DE102008047506A1 - Radialverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008047506A1
Application number: DE102008047506A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Stephan Dipl.-Ing. Krätschmer (FH); Michael Dipl.-Ing. Stiller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: IHI Charging Systems International GmbH
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010031499A1; JP5492212B2; US20110088392A1; US8522549B2; JP2012503132A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10), innerhalb welchem ein Verdichterrad (12) angeordnet ist, mittels dessen Luft aus einem Zuströmkanal (14) des Verdichtergehäuses (10) zu verdichten und in einen Auslasskanal (16) des Verdichtergehäuses (10) zu leiten ist, wobei das Verdichtergehäuse (10) einen Bypasskanal (18) umfasst, der wenigstens eine erste Strömungsöffnung (20a) stromauf eines axialen Verdichterradeintritts (22) des Verdichterrads (12) sowie eine zweite Strömungsöffnung (20b) stromab des Verdichterradeintritts (22) aufweist, wobei das Verdichtergehäuse (10) zumindest in einem Strömungsbereich (II-II) stromauf des Auslasskanals (16) rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse (D) des Verdichterrads (12) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Radialverdichter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Radialverdichter.
Die Entwicklung aufgeladener Brennkraftmaschinen für Nutz- oder Personenkraftwagen mit einem gewünschten Momentenverhalten erfordern zunehmend verbreiterte 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 zugeordneten Brennkraftmaschine möglich. Bei einem vorgegebenem Nennpunkt und einem entsprechenden Nenndurchsatz wird auch die Pumpgrenzenlage von Radialverdichtern maßgebend bestimmt. Die Momentenlinie mit maximalen Drehmomenten der zugeordneten Brennkraftmaschinen wird somit bis zu mittleren Motordrehzahlen durch die Pumpgrenze des Radialverdichters festgelegt. Links der Pumpgrenze, bei kleineren Massedurchsätzen, ist ein stabiler Betrieb des Radialverdichters sowie der Brennkraftmaschine aufgrund von Pumpstößen nicht mehr gewährleistet. Zusätzlich besteht bei einem Betrieb unterhalb der Pumpgrenze die Gefahr, dass der Radialverdichter schon nach geringen Laufzeiten beschädigt wird. Durch die Entwicklung sogenannter kennfeldstabilisierender Maßnahmen (KSM) wird versucht, die Pumpgrenze zu kleinen Massedurchsätzen zu verschieben, um so das Anfahrmoment, das Beschleunigungsmoment und das maximale Drehmoment der zugeordneten Brennkraftmaschine steigern zu können.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu Radialverdichter bekannt, die ein innerhalb eines Verdichtergehäuses angeordnetes Verdichterrad umfasst. Das Verdichterrad dient zum Verdichten von Luft, die über einen Zuströmkanal des Verdichtergehäuses auf das Verdichterrad zu leiten ist. Die verdichtete Luft kann anschließend durch das Verdichterrad in einen Auslasskanal des Verdichtergehäuses geleitet werden. Als kennfeldstabilisierende Maßnahme umfasst das Verdichtergehäuse zusätzlich einen Bypasskanal, der wenigstens eine erste Strömungsöffnung stromauf eines axialen Verdichterradeintritts des Verdichterrads sowie eine zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts aufweist. 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 vorteilhaft 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. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die zweite Strömungsöffnung des Bypasskanals stromab eines Verdichterradaustritts in den Auslasskanal mündet.
Als nachteilig an den bekannten Radialverdichtern ist dabei jedoch der Umstand anzusehen, dass sich bei einem Betrieb nahe der Pumpgrenze Strömungswirbel und Strömungsablösungen im Bereich des rotierenden Verdichterrads bilden, die zu entsprechenden Wirkungsgradverlusten und Instabilitäten im Verdichterbetrieb führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Radialverdichter der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher auf konstruktiv einfache Weise eine Absenkung der Pumpgrenze sowie eine verbesserte Anpassbarkeit an die Anforderungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinentypen ermöglicht.
Ein Radialverdichter, welcher auf konstruktiv einfache Weise eine Absenkung der Pumpgrenze sowie eine verbesserte Anpassbarkeit an die Anforderungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinentypen ermöglicht, ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass das Verdichtergehäuse zumindest in einem Strömungsbereich stromauf des Auslasskanals rotationsasymmetrisch bezüglich einer Drehachse des Verdichterrads ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass das Verdichtergehäuse im Unterschied zum Stand der Technik in seinen durchströmbaren Bereichen stromauf des üblicherweise spiralförmig und damit asymmetrisch ausgebildeten Auslasskanals eine von einer Rotationssymmetrie abweichende Geometrie aufweist. Hierdurch ist eine gezielte Strömungsungleichförmigkeit und eine entsprechend asymmetrische An- und Abströmung des Verdichterrads darstellbar, wodurch überraschenderweise eine signifikante Stabilisierung der rotierend abreißenden Strömung in den verschiedenen Strömungskanälen des Verdichtergehäuses erreicht und die Pumpneigung des Verdichterrads zu erheblich kleineren Massendurchsätzen verschoben wird. Aufgrund dieser konstruktiv einfachen Maßnahme ist zudem eine verbesserte und besonders kostengünstige Anpassbarkeit des Radialverdichters an Anforderungsprofile unterschiedlicher Brennkraftmaschinentypen ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypasskanal und/oder der Zuströmkanal und/oder die erste Strömungsöffnung und/oder die zweite Strömungsöffnung rotationsasymmetrisch bezüglich der Drehachse des Verdichterrads ausgebildet ist. Indem wenigstens einer der genannten Kanäle bzw. eine der Strömungsöffnungen die erfindungsgemäße Rotationsasymmetrie aufweist, ist eine gezielte und individuell einstellbare Anpassbarkeit des Verdichterkennfelds des Radialverdichters an unterschiedliche Brennkraftmaschinentypen und Anforderungsprofile gegeben.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine radial innere und/oder eine radial äußere Kanalwand des Bypasskanals bezüglich der Drehachse rotationsasymmetrisch ausgebildet ist. Dies ermöglicht neben der vorteilhaften Absenkung der Pumpgrenze auch eine gezielte Erhöhung der Stopfgrenze des Radialverdichters.
In weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die radial innere und/oder die radial äußere Kanalwand des Bypasskanals zumindest über einen Längenbereich im Querschnitt kreisförmig und/oder elliptisch ausgebildet ist. Mit anderen Worten kann die betreffende Kanalwand des Bypasskanals zumindest bereichsweise als Zylindermantelfläche und/oder ellipsoide Mantelfläche ausgebildet sein, wobei zumindest im Fall einer als Zylindermantelfläche ausgebildeten Kanalwand eine Mittelachse des Zylinders nicht-koaxial zur Drehachse des Verdichterrads angeordnet ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung und Verbreiterung des Verdichterkennfelds dar.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur gezielten Beeinflussung des Strömungsverhaltens und damit des Verdichterkennfelds des Radialverdichters ist in weiterer Ausgestaltung dadurch gegeben, dass der Bypasskanal und/oder der Zuströmkanal und/oder die erste Strömungsöffnung und/oder die zweite Strömungsöffnung spiegelsymmetrisch bezüglich einer entlang der Drehachse angeordneten axialen Hauptebene des Verdichtergehäuses ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Strömungsöffnung und/oder die zweite Strömungsöffnung über einen Umfang des Bypasskanals segmentförmig und/oder elliptisch und/oder kurvenförmig und/oder sinusförmig und/oder mit einer über den Umfang variierenden Mündungsfläche ausgebildet sind. Auch dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit zur Erzeugung einer gezielten Strömungsungleichförmigkeit im Strömungsbereich des Verdichterrads dar.
Indem eine Mündungsebene des Zuströmkanals in einem Winkel gegenüber einer senkrecht zur Drehachse angeordneten radialen Hauptebene des Verdichtergehäuses angeordnet ist, kann auf konstruktiv einfache Weise eine vergleichsweise stark asymmetrische Anströmung des Verdichterrads erzeugt werden.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Winkel zwischen 1° und 30°, insbesondere zwischen 3° und 20° und vorzugsweise zwischen 5° und 10°, beträgt. Hierdurch ist eine einfache Anpassbarkeit des Anströmverhaltens an unterschiedliche Brennkraftmaschinentypen gegeben.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem eine den Zuströmkanal und den Bypasskanal voneinander abtrennende Kanalwand mittels wenigstens einer Strebe am Verdichtergehäuse gehalten ist. Mit Hilfe einer derartigen Strebe kann eine gewünschte Asymmetriewirkung der Umfangsströmung verursacht werden. Zudem stellt dies eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, die Kanalwand im Verdichtergehäuse lagezusichern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Streben vorgesehen, die vorzugsweise asymmetrisch bezüglich der Drehachse über den Umfang der Kanalwand ausgebildet sind. Auf diese Weise können größere Umfangsbereiche gezielt mit Material belegt werden, wodurch ein entsprechend erhöhter Asymmetriegrad erzielbar ist. Zudem ist mit Hilfe mehrerer Streben eine mechanisch besonders stabile Lagesicherung der Kanalwand im Verdichtergehäuse gegeben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Radialverdichter, wobei eine Absenkung der Pumpgrenze des Radialverdichters auf konstruktiv einfache Weise und eine verbesserte Anpassbarkeit an die Anforderungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinentypen erfindungsgemäß dadurch ermöglicht ist, dass der Radialverdichter gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den entsprechenden Beschreibungen zu entnehmen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen vergleichbare Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Radialverdichters gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 eine schematische Frontalansicht des in 1 gezeigten Radialverdichters.
1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines Radialverdichters gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Radialverdichter, welcher als Verdichter eines Abgasturboladers ausgebildet ist, umfasst ein Verdichtergehäuse 10, innerhalb welchem ein Verdichterrad 12 angeordnet ist. Mit Hilfe des Verdichterrads 12 wird Luft aus einem Zuströmkanal 14 des Verdichtergehäuses 10 verdichtet und in einen spiralförmigen Auslasskanal 16 des Verdichtergehäuses 10 geleitet. Der Antrieb des Verdichterrads 12 erfolgt dabei in an sich bekannter Weise über ein Turbinenrad (nicht gezeigt) einer Turbine des Abgasturboladers. Als kennfeldstabilisierende Maßnahme (KSM) umfasst das Verdichtergehäuse 10 zudem einen vorliegend ringförmig ausgebildeten Bypasskanal 18, der wenigstens eine erste, im Bereich des Zuströmkanals 14 angeordnete Strömungsöffnung 20a stromauf eines axialen Verdichterradeintritts 22 des Verdichterrads 12 sowie eine zweite Strömungsöffnung 20b stromab des Verdichterradeintritts 22 aufweist. In einem Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze ist es mit Hilfe der KSM möglich, die Luft gemäß Pfeil I über dem Verdichterrad 12 durch die zweite Strömungsöffnung 20b in den Bypasskanal 18 abzuführen und nach dem Ausleiten aus der ersten Strömungsöffnung 20a wieder in den Zuströmkanal 14 und zum Verdichterradeintritt 22 zu leiten. Auf diese Weise wird der in das Verdichterrad 12 eintretende Massenstrom stark erhöht. Um auf konstruktiv einfache Weise eine Absenkung der Pumpgrenze sowie eine verbesserte Anpassbarkeit an die Anforderungen unterschiedlicher Brennkraftmaschinentypen zu ermöglichen, ist das Verdichtergehäuse 10 im Strömungsbereich II-II stromauf des Auslasskanals 16 rotationsasymmetrisch bezüglich einer Drehachse D des Verdichterrads 12 ausgebildet. Im Vergleich zum Stand der Technik sind dabei insbesondere der Bypasskanal 18 und eine Mündungsebene 24 des Zuströmkanals 14 rotationsasymmetrisch ausgebildet. Hierdurch wird eine entsprechend asymmetrische Eintrittsströmung in das Verdichterrad 12 erzielt, die eine signifikante Stabilisierung der rotierend abreißenden Strömung in den verschiedenen Strömungskanälen des Verdichtergehäuses 10 bewirkt. Auf diese Weise wird die Pumpneigung des Verdichterrades 12 auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise reduziert und zu kleineren Massendurchsätzen verschoben. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite Strömungsöffnung 20b nur teilweise oder segmentförmig über dem Umfang des Verdichterrads 12 ausgebildet ist, wodurch die asymmetrische Zuströmung gezielt verstärkt oder abgeschwächt werden kann. Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die zweiten Strömungsöffnung 20b nicht radial bezüglich der Drehachse D bzw. einer senkrecht zur Drehachse angeordneten Hauptebene H_r angeordnet ist. Es können auch axiale Verläufe längs einer Hauptumfangsrichtung vorgesehen sein, die gegebenenfalls kurvenförmig bzw. sinusförmig ausgebildet sein können. Die Mündungsebene 24 ist vorliegend um einen Winkel α von etwa 8° gegenüber der senkrecht zur Drehachse angeordneten Hauptebene H_r angeordnet. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass das Verdichtergehäuse 10 zumindest im Strömungsbereich II-II spiegelsymmetrisch bezüglich einer entlang der Drehachse D angeordneten, axialen Hauptebene H_a (s. 2) ausgebildet ist.
Der Bypasskanal 18 mit seiner inneren Kanalwand 26a und seiner äußeren Kanalwand 26b besitzt im gezeigten Ausführungsbeispiel eine sehr große Rotationsasymmetrie gegenüber der Drehachse D. Dabei ist die äußere Kanalwand 26b nahezu rotationssymmetrisch, wohingegen die innere Kanalwand 26a einen hohen Asymmetriegrad gegenüber der Drehachse D zeigt. Die Asymmetrie kann grundsätzlich auch durch eine umgekehrte Gestaltung erzeugt werden, indem die innere Kanalwand 26a nahezu symmetrisch zur Drehachse D verläuft und die äußere Kanalwand 26b den gewünschten Asymmetriegrad zur Drehachse D besitzt. Ebenso kann vorgesehen sein, dass keine der beiden Kanalwände 26a, 26b eine Rotationssymmetrie aufweist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die beiden Kanalwände 26a, 26b zur Drehachse D verschobene Zylindermantelflächen, elliptische oder sonstige Flächenverläufe aufweisen.
2 zeigt eine schematische Frontalansicht des in 1 gezeigten Radialverdichters. Hierbei sind insbesondere mehrere Streben 28 erkennbar, mittels welchen die den Zuströmkanal 14 und den Bypasskanal 18 voneinander abtrennende Kanalwand 26 am Verdichtergehäuse 10 gehalten ist. Die Streben 28 sind dabei asymmetrisch um den Umfang der Kanalwand 26 verteilt angeordnet. Alternativ zu den relativ geringen Versperrungen der gezeigten Streben 28 kann vorgesehen sein, dass größere Bereiche über dem Umfang mit Material belegt sind, wodurch eine entsprechend größere Asymmetriewirkung der Umfangsströmung verursacht werden kann. Durch eine optimale Asymmetriefindung des Verdichtergehäuses kann zusammenfassend auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise eine erhebliche Verbreiterung des Verdichterkennfeldes und insbesondere eine Verschiebung der Pumpgrenze zu geringeren Massedurchsätzen erzeugt werden.

Claims

Radialverdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (10), innerhalb welchem ein Verdichterrad (12) angeordnet ist, mittels dessen Luft aus einem Zuströmkanal (14) des Verdichtergehäuses (10) zu verdichten und in einen Auslasskanal (16) des Verdichtergehäuses (10) zu leiten ist, wobei das Verdichtergehäuse (10) einen Bypasskanal (18) umfasst, der wenigstens eine erste Strömungsöffnung (20a) stromauf eines axialen Verdichterradeintritts (22) des Verdichterrads (12) sowie eine zweite Strömungsöffnung (20b) stromab des Verdichterradeintritts (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (10) zumindest in einem Strömungsbereich (II-II) stromauf des Auslasskanals (16) rotationsasymmetrisch bezüglich einer Drehachse (D) des Verdichterrads (12) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (18) und/oder der Zuströmkanal (14) und/oder die erste Strömungsöffnung (20a) und/oder die zweite Strömungsöffnung (20b) rotationsasymmetrisch bezüglich der Drehachse (D) des Verdichterrads (12) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial innere und/oder eine radial äußere Kanalwand (26a, 26b) des Bypasskanals (18) bezüglich der Drehachse (D) rotationsasymmetrisch ausgebildet ist.
Radialverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innere und/oder die radial äußere Kanalwand (26a, 26b) des Bypasskanals (18) zumindest über einen Längenbereich im Querschnitt kreisförmig und/oder elliptisch ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (18) und/oder der Zuströmkanal (14) und/oder die erste Strömungsöffnung (20a) und/oder die zweite Strömungsöffnung (20b) spiegelsymmetrisch bezüglich einer entlang der Drehachse (D) angeordneten axialen Hauptebene (H_a) des Verdichtergehäuses (10) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsöffnung (20a) und/oder die zweite Strömungsöffnung (20b) über einen Umfang des Bypasskanals (18) segmentförmig und/oder elliptisch und/oder kurvenförmig und/oder sinusförmig und/oder mit einer über den Umfang variierenden Mündungsfläche ausgebildet sind.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mündungsebene (24) des Zuströmkanals (14) in einem Winkel (α) gegenüber einer senkrecht zur Drehachse (D) angeordneten radialen Hauptebene (H_r) des Verdichtergehäuses (10) angeordnet ist.
Radialverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 1° und 30°, insbesondere zwischen 3° und 20° und vorzugsweise zwischen 5° und 10°, beträgt.
Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Zuströmkanal (14) und den Bypasskanal (18) voneinander abtrennende Kanalwand (26) mittels wenigstens einer Strebe (28) am Verdichtergehäuse (10) gehalten ist.
Radialverdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Streben (28) vorgesehen sind, die vorzugsweise asymmetrisch bezüglich der Drehachse (D) um den Umfang der Kanalwand (26) angeordnet sind.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Radialverdichter, insbesondere eines Abgasturboladers, dadurch gekennzeichnet, dass der Radialverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.