DE102009012971A1

DE102009012971A1 - Ladeeinrichtung für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102009012971A1
Application number: DE102009012971A
Authority: DE
Inventors: Michal Klusácek; Martin Dr. Schlegl
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Verdichterlaufrad (2) und mit einem Verdichtergehäuse (3), in dem das Verdichterlaufrad (2) bezüglich einer Rotationsachse (4) drehbar angeordnet ist und das einen axialen Verdichtereinlass (8) aufweist. Eine Wirkungsgradsteigerung lässt sich erreichen durch ein Spiralgehäuse (9), das koaxial zur Rotationsachse (4) angeordnet ist und das einen an den Verdichtereinlass (8) angeschlossenen axialen Gehäuseauslass (10) und einen quer zur Rotationsachse (4) orientierten Gehäuseeinlass (11) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Abgasturbolader, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der US 4,095,966 ist eine Ladeeinrichtung in Form eines Abgasturboladers bekannt. Sie umfasst ein Verdichterlaufrad und ein Verdichtergehäuse, in dem das Verdichterlaufrad bezüglich einer Rotationsachse drehbar angeordnet ist. Das Verdichtergehäuse weist einen axialen Verdichtereinlass auf, durch den die zu verdichtende Frischluft axial zum Verdichterlaufrad gelangt. Das Verdichterlaufrad ist als Radialverdichter ausgestaltet und verdrängt die axial eintretende Luft in radialer Richtung, wodurch sie beschleunigt und komprimiert wird.
Die bekannte Ladeeinrichtung ist außerdem mit einer Reinigungseinrichtung ausgestattet, die als Trägheitsabscheider ausgestaltet ist. Sie umfasst ein Abscheidergehäuse, das an das Verdichtergehäuse angeschraubt ist. Im Abscheidergehäuse ist eine ringförmige Einströmkammer ausgebildet, die koaxial zur Rotationsachse des Verdichterlaufrads angeordnet ist und in der koaxial ein konischer Umlenkkörper angeordnet ist, der in seinem Inneren einen Austrittskanal enthält, der koaxial zur Rotationsachse des Verdichterlaufrads ausgerichtet ist und direkt axial an den Verdichtereinlass angeschlossen ist. Besagter Austrittskanal ist an einer vom Verdichtereinlass abgewandten Seite des Umlenkkörpers zu einem Umlenkraum hin offen, der über einen ringförmig umlaufenden, radial nach innen vorstehenden Ringkragen von der Einströmkammer separiert ist. In die Einströmkammer tritt die zu reinigende Luft radial ein, muss dann den Ringkragen axial überströmen, um in den Umlenkraum zu gelangen. Von dem aus muss das Gas radial nach innen umgelenkt werden, um in den Austrittskanal des Umlenkkörpers zu gelangen. Diese nach innen orientierte Bewegung ist der Trägheitskraft entgegengesetzt orientiert, so dass in der Luft mitgeführte Partikel im Umlenkraum verbleiben. Die so gereinigte Luft strömt über den Austrittskanal axial zum Verdichtereinlass. Eine Saugeinrichtung saugt die abgeschiedenen Verunreinigungen ab.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die dem Verdichterlaufrad zugeführte Luft mit einem Drall zu beaufschlagen, der die Relativgeschwindigkeit zwischen Luft und Laufschaufeln des Verdichterrads reduziert und somit den Wirkungsgrad des Verdichters verbessert. Erreicht wird dies bei der Erfindung mit Hilfe eines Spiralgehäuses, das koaxial zur Rotationsachse angeordnet ist. Ein axial orientierter Gehäuseauslass des Spiralgehäuses ist an den Verdichtereinlass angeschlossen. Ein Gehäuseeinlass des Spiralgehäuses ist quer zur Rotationsachse orientiert. Luft, die über den Gehäuseeinlass in das Spiralgehäuse eintritt, wird im Spiralgehäuse in Umfangsrichtung in Rotation versetzt und tritt am Gehäuseauslass mit einem Drall axial aus und gelangt dadurch drallbeaufschlagt durch den Verdichtereinlass zum Verdichterlaufrad. Bei einem gleichsinnig zur Rotation des Verdichterlaufrads orientierten Drall kann die Relativgeschwindigkeit zwischen ankommender Luft und rotierenden Laufschaufeln signifikant reduziert werden, was die gewünschte Wirkungsgradsteigerung ermöglicht. Die hierfür erforderlichen baulichen Maßnahmen sind dabei vergleichsweise gering, da im Wesentlichen nur strömungsdynamische Vorgänge ausgenutzt werden. Ferner besitzt das Spiralgehäuse einen relativ kleinen Durchströmungswiderstand.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher der Gehäuseeinlass tangential orientiert ist, so dass bereits beim Einströmen in das Spiralgehäuse eine Drallbeaufschlagung der Luftströmung erfolgt. Ferner reduziert die tangentiale Einströmung den Durchströmungswiderstand.
Das Spiralgehäuse kann an das Verdichtergehäuse angebaut sein, also ein bezüglich des Verdichtergehäuses separates Bauteil bilden. Alternativ ist es ebenso möglich, das Spiralgehäuse zumindest teilweise in das Verdichtergehäuse zu integrieren, wodurch die Ladeeinrichtung insgesamt preiswerter realisierbar ist.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Spiralgehäuse einen konischen Kern enthalten, der sich bis zum Gehäuseauslass erstreckt, und zwar derart, dass der Gehäuseauslass einen Ringquerschnitt erhält, der zu einem Ringquerschnitt korrespondiert, in dem die Laufschaufeln des Verdichterlaufrads angeordnet sind. Mit Hilfe des Kerns kann die mit Drall beaufschlagte Strömung gezielt auf die Laufschaufeln ausgerichtet werden. Gleichzeitig wird dadurch der Strömungsquerschnitt am Gehäuseauslass reduziert, wodurch eine Beschleunigung der Luftströmung und somit eine weitere Wirkungsgradsteigerung realisierbar ist.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Leitbeschaufelung vorgesehen sein, die stromauf des Verdichterlaufrads angeordnet ist. Eine derartige Leitbeschaufelung umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Leitschaufeln. Zweckmäßig sind diese Leitschaufeln gegenüber einer Axialrichtung angestellt, und zwar derart, dass sie den Aufbau einer Drall strömung unterstützen bzw. verstärken. Besonders vorteilhaft ist dabei, diese Leitbeschaufelung im Spiralgehäuse anzuordnen.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine Ladeeinrichtung im Bereich eines Verdichters,
2 einen stark vereinfachten Querschnitt der Ladeeinrichtung im Bereich eines Spiralgehäuses entsprechend Schnittlinien II in 1,
3 einen Längsschnitt wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
4 eine Seitenansicht der Ladeeinrichtung aus 3 entsprechend einer Blickrichtung IV in 3.
Entsprechend den 1–4 umfasst eine nur teilweise dargestellte Ladeeinrichtung 1 ein Verdichterlaufrad 2 und ein Verdichtergehäuse 3, in dem das Verdichterlaufrad 2 um eine Rotationsachse 4 drehbar angeordnet ist. Die Ladeeinrichtung 1 dient zur Druckerhöhung in Brennräumen einer Brennkraftmaschine zugeführter Frischluft. Bevorzugt ist die Ladeeinrichtung 1 als Abgasturbolader ausgestaltet, bei dem das Verdichterlaufrad 2 über eine Welle 5 von einem nicht gezeigten Turbinenlaufrad einer Turbine des Turboladers 1 angetrieben ist.
Das Verdichterlaufrad 2 wirkt mit dem Verdichtergehäuse 3 zur Realisierung eines Radialverdichters zusammen. Hierzu weist eine Laufbeschaufelung 6 des Verdichterlaufrads 2 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Laufschaufeln 7 auf, die axial, also parallel zur Rotationsachse 4 ankommende Luft radial nach außen abdrängen und dabei beschleunigen und verdichten. Dementsprechend besitzt das Verdichtergehäuse 3 einen axial orientierten bzw. axialen Verdichtereinlass 8, über den zu komprimierende Luft zum Verdichterlaufrad 2 bzw. zur Laufbeschaufelung 6 gelangt.
Des Weiteren ist die Ladeeinrichtung 1 mit einem Spiralgehäuse 9 ausgestattet, das bezüglich seiner Spiralform koaxial zur Rotationsachse 4 angeordnet ist. Das Spiralgehäuse 9 weist einen axial orientierten bzw. axialen Gehäuseauslass 10 auf, der an den Verdichtereinlass 8 angeschlossen ist. Außerdem besitzt das Spiralgehäuse 9 einen Gehäuseeinlass 11, der sich quer zur Rotationsachse 4 erstreckt bzw. quer dazu orientiert ist. Entsprechend den 2 und 4 ist der Gehäuseeinlass 11 bevorzugt tangential am Spiralgehäuse 9 angeordnet. Hierdurch kann die zuströmende Luft tangential in einen Spiralraum 12 des Spiralgehäuses 9 eintreten. Hierdurch wird bei einem extrem niedrigen Strömungswiderstand die Erzeugung einer Drallströmung im Spiralraum 12 ermöglicht.
Die Spiralform des Spiralraums 12 weist dabei den gleichen Drehsinn auf wie das Verdichterlaufrad 2.
Entsprechend den 1 und 3 geht der Gehäuseauslass 10 des Spiralgehäuses 9 vorzugsweise unmittelbar in den Verdichtereinlass 8 des Verdichtergehäuses 3 über. Hierdurch können an dieser Schnittstelle Strömungswiderstände vermieden werden.
Das Spiralgehäuse 9 kann separat zum Verdichtergehäuse 9 hergestellt werden. Insbesondere handelt es sich um ein Metallgussteil, insbesondere Aluminiumgussteil. Es ist dann an das Verdichtergehäuse 3 angebaut.
Alternativ kann das Spiralgehäuse 9 entsprechend den hier gezeigten Ausführungsformen integral mit dem Verdichtergehäuse 3 hergestellt sein. Insbesondere handelt es sich um ein Metallgussteil, insbesondere Aluminiumgussteil. Ebenso ist es möglich, nur einen Teil des Spiralgehäuses 9 integral am Verdichtergehäuse 3 auszuformen.
Entsprechend den hier gezeigten Ausführungsformen weist das Spiralgehäuse 9 einen konischen Kern 13 auf, der sich koaxial zur Rotationsachse 4 erstreckt. Ferner erstreckt sich dieser Kern 13 bis zum Gehäuseauslass 10. Er ist im Gehäuse 9 so angeordnet, dass der Spiralraum 12 eine Ringform erhält und dass der Gehäuseauslass 10 einen Ringquerschnitt aufweist. Der Ringquerschnitt des Gehäuseauslasses 10 korrespondiert dabei zu einem Ringquerschnitt im Bereich des Verdichtereinlasses 8, in dem die Laufschaufeln 7 des Verdichterlaufrads 2 angeordnet sind. Somit reduziert der Kern 13 den durchströmbaren Querschnitt des Gehäuseauslasses 10 auf dem durchströmbaren Querschnitt der Laufbeschaufelung 6 im Verdichtereinlass 8. Hierdurch wird zum einen der Durchströmungswiderstand am Übergang zum Verdichterlaufrad 2 erheblich reduziert. Zum anderen kann gleichzeitig die über das Spiralgehäuse 9 dem Verdichterlaufrad 2 zugeführte Luft beschleunigt werden. Zur Beschleunigung der Luftströmung im Spiralgehäuse 9 trägt außerdem die Spiralform des Spiralraums 12 bei, die sich durch einen in Strömungsrichtung abnehmenden Radius 14 einer den Spiralraum 12 begrenzenden Außenwand 15 charakterisiert. Der Radius 14 bezieht sich dabei auf einen auf der Rotationsachse 4 liegenden Mittelpunkt. Dabei ist das Spiralgehäuse 9 zweckmäßig so ausgestaltet, dass sich ein durchströmbarer Querschnitt des Spiralgehäuses 9 bzw. des darin enthaltenen Spiralraums 12 vom Gehäuseeinlass 11 bis zum Gehäuseauslass 10 verjüngt. Diese Querschnittsreduzierung erfolgt bevorzugt kontinuierlich bzw. stufenlos. Durch diese Formgebung wird eine signifikante Beschleunigung der Luftströmung erreicht, wobei gleichzeitig nur ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand auftritt.
Entsprechend 3 kann die Ladeeinrichtung 1 außerdem mit einer Leitbeschaufelung 16 ausgestattet sein, die sich stromauf des Verdichterlaufrads 2 befindet. Im Beispiel ist die Leitbeschaufelung 16, die mehrere in Umfangsrichtung an verteilt angeordnete Leitschaufeln 17 aufweist, im Spiralgehäuse 9 angeordnet. Sie befindet sich dabei stromauf des Gehäuseauslasses 10 und kann sich bis zum Gehäuseauslass 10 erstrecken. Alternativ ist es ebenso möglich, die Leitbeschaufelung 16 im Verdichtergehäuse 3 anzuordnen. Ebenso kann zwischen dem Spiralgehäuse 9 und dem Verdichtergehäuse 3 ein Zwischengehäuse angeordnet sein, in dem die Leitbeschaufelung 16 angeordnet ist, so dass diese sich stromab des Gehäuseauslasses 10 und stromauf des Verdichtereinlasses 8 befindet. Besagtes Zwischengehäuse kann dabei einlassseitig in das Verdichtergehäuse 3 integriert sein. Ebenso kann dieses Zwischengehäuse auslassseitig in das Spiralgehäuse 9 integriert sein. Ebenso ist eine integrale Bauweise von Verdichtergehäuse 3, Spiralgehäuse 9 und besagtem Zwischengehäuse denkbar.
Die Leitschaufeln 17 sind gegenüber einer Axialrichtung angestellt, derart, dass sie den mit Hilfe des Spiralgehäuses 15 erzeugten Drall verstärken. Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei der die Leitschaufeln 16 hinsichtlich ihrer Anstellung verstellbar sind, wodurch die Drallströmung abhängig vom Lastzustand der Brennkraftmaschine bzw. abhängig vom Volumenstrom der dem Verdichterlaufrad 2 zugeführten Luftströmung durch Anpassen des Anstellwinkels der Leitschaufeln 17 mehr oder weniger verstärkt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4095966 [0002]

Claims

Ladeeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader, mit einem Verdichterlaufrad (2) und mit einem Verdichtergehäuse (3), in dem das Verdichterlaufrad (2) bezüglich einer Rotationsachse (4) drehbar angeordnet ist und das einen axialen Verdichtereinlass (8) aufweist, gekennzeichnet durch ein Spiralgehäuse (9), das koaxial zur Rotationsachse (4) angeordnet ist und das einen an den Verdichtereinlass (8) angeschlossenen axialen Gehäuseauslass (10) und einen quer zur Rotationsachse (4) orientierten Gehäuseeinlass (11) aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseeinlass (11) tangential am Spiralgehäuse (9) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseauslass (10) unmittelbar in den Verdichtereinlass (8) übergeht.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (9) an das Verdichtergehäuse (3) angebaut ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (9) zumindest teilweise durch einen integralen Bestandteil des Verdichtergehäuses (3) gebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (9) einen konischen Kern (13) enthält, der sich bis zum Gehäuseauslass (10) erstreckt, derart, dass der Gehäuseauslass (10) einen Ringquerschnitt erhält, der zu einem Ringquerschnitt korrespondiert, in dem Laufschaufeln (7) des Verdichterlaufrads (2) angeordnet sind.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralgehäuse (9) einen sich vom Gehäuseeinlass (11) zum Gehäuseauslass (10) kontinuierlich und/oder stufenlos verjüngenden durchströmbaren Querschnitt aufweist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitbeschaufelung (16) vorgesehen ist, die stromauf des Verdichterlaufrads (2) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbeschaufelung (16) im Spiralgehäuse (9) stromauf des Gehäuseauslasses (10) oder im Verdichtergehäuse (3) oder in einem Zwischengehäuse stromab des Gehäuseauslasses (10) und stromauf des Verdichtereinlasses (8) angeordnet ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengehäuse integraler Bestandteil des Spiralgehäuses (9) und/oder des Verdichtergehäuses (3) ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbeschaufelung (16) hinsichtlich ihrer Anstellung einstellbare Leitschaufeln (17) aufweist.