DE102009019754A1

DE102009019754A1 - Verdichter für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102009019754A1
Application number: DE102009019754A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Ing. Müller; Johanna Stumpf; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-05-02
Filing date: 2009-05-02
Publication date: 2010-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichtergehäuse (28), mittels welchem ein Verdichterrad (30) aufgenommen ist, und mit zumindest einem Bypasskanal (32), der eine erste Strömungsöffnung stromauf eines Verdichterradeintritts (34) des Verdichterrads (30) und eine zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts (34) im Bereich des Verdichterrads (30) umfasst, wobei der zumindest eine Bypasskanal (32) zumindest bereichsweise durch ein vom Verdichtergehäuse (28) separates Zusatzbauteil (10) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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. Eine Entwicklung derartiger Verdichter für aufgeladene Verbrennungskraftmaschinen mit einem gewünschten Momentenverhalten erfordert dabei zunehmend breitere Verdichterkennfelder. Das Verdichterkennfeld, in dem ein Verhältnis eines Ausgangsdrucks zu einem Eingangsdruck des Verdichters gegenüber einem Massendurchsatz des Verdichters aufgetragen ist, ist auf der einen Seite durch eine so genannte Pumpgrenze des Verdichters, das heißt eine minimal mögliche Volumenförderung, und auf der anderen Seite durch eine so genannte Stopfgrenze des Verdichters, das heißt eine maximal mögliche Volumenförderung, begrenzt.
In einem Bereich zwischen der Pump- und der Stopfgrenze ist ein stabiler Betrieb des Verdichters und damit der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine möglich. Zur Verbreiterung des Verdichterkennfelds werden seit geraumer Zeit so genannte 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 in einem 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 einem Ausleiten aus der ersten Strömungsöffnung wieder zum Verdichterradeintritt zu leiten. Dadurch wird der in das Verdichterrad eintretende Massenstrom um bis zu 50% erhöht.
Im Betriebsbereich nahe der Stopfgrenze ist eine Strömungsrichtung entgegengesetzt. Eine 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 ein engster Querschnitt des Verdichterrads im Bereich seines Verdichterradeintritts teilweise umgangen, so dass eine höhere Luftmasse durch den Verdichter gefördert werden kann.
Nachteilig bei derart genannten Verdichtern ist, dass eine Fertigung eines derartigen Bypasskanals aufwändig und damit kostenintensiv ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein verbesserter Betriebsbereich bei gleichzeitiger kostengünstigerer Fertigung des Verdichters ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein solcher Verdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichtergehäuse, mittels welchem ein Verdichterrad aufgenommen ist, und mit zumindest einem Bypasskanal, der eine erste Strömungsöffnung stromauf eines Verdichterradeintritts des Verdichterrads und eine zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts im Bereich des Verdichterrads umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der zumindest eine Bypasskanal zumindest bereichsweise durch ein vom Verdichtergehäuse separates Zusatzbauteil gebildet ist.
Dabei ist vorgesehen, dass das Zusatzbauteil den kompletten Bypasskanal beispielsweise zusammen mit dem Verdichtergehäuse bildet. Alternativ kann ebenso vorgesehen sein, dass das Zusatzbauteil den beschriebenen Bypasskanal vollständig alleine, das heißt mittels Wandungen, die ausschließlich dem Zusatzbauteil zuzuordnen sind, bildet. Durch diesen Bypasskanal ist zum einen eine kennfeldstabilisierende Maßnahme zur Verbreiterung eines Verdichterkennfelds des Verdichters geschaffen, wodurch der Verdichter in einem breiteren Spektrum an Betriebspunkten der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist. Dadurch ist also ein sehr effizienter Betrieb des Verdichters bei gleichzeitiger Sicherstellung einer Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine zur Darstellung eines geforderten Moments der Verbrennungskraftmaschine realisiert, womit ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und reduzierte CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine einher gehen. Gleichwohl sind Kosten für einen derartigen Verdichter dadurch reduziert, dass eine Fertigung des Bypasskanals wesentlich einfacher und zumindest bereichsweise außerhalb des für entsprechende Werkzeuge nur schwer zugänglichen Verdichtergehäuses an dem Zusatzbauteil erfolgen kann. Damit ist ein Aufwand und eine Komplexität der Fertigung des Bypasskanals und damit des Verdichters drastisch reduziert, was in geringeren Kosten für den Verdichter und damit in geringeren Kosten für einen Kraftwagen mit einem derartigen Verdichter resultiert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Zusatzbauteil mittels des Verdichtergehäuses zumindest bereichsweise aufgenommen. Dies bedeutet also, dass das Zusatzbauteil in einfacher Art und Weise in das Verdichtergehäuse eingesteckt und gegebenenfalls mit zusätzlichen Befestigungselementen wie beispielsweise Schraubelementen zu befestigen ist. Dies bedeutet eine besonders einfache und unaufwändige Montage, womit geringe Montagekosten einher gehen, was die Kosten für den erfindungsgemäßen Verdichter in einem sehr geringen Rahmen hält. Durch diese Ausführungsform ist ein in seinen Dimensionen kompakter Verdichter geschaffen, der nur einen geringen Bauraum beansprucht, was insbesondere in einem Bereich wie einem Motorraum, in welchem ein derartiger Verdichter in der Regel angeordnet ist, insofern äußerst vorteilbehaftet ist, als dass zusätzliche Freiheiten zur Lösung von Package-Problemen geschaffen sind.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass das Zusatzbauteil zumindest bereichsweise auf das Verdichtergehäuse aufgesetzt ist, es also quasi auf das Verdichtergehäuse aufgesteckt und gegebenenfalls mittels zusätzlichen Befestigungselementen wie beispielsweise Schraubelementen zu befestigen ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil inne, dass ein Strömungsquerschnitt eines Zuströmkanals, durch welchen eine angesaugte Luft in Richtung des Verdichterrads strömt, groß gestaltet werden kann und nicht durch ein mittels des Verdichtergehäuses aufgenommenen Zusatzbauteils eingeengt wird. Dies führt zu einer noch besseren Versorgung des Verdichters mit Luft, wodurch höhere Momente der Verbrennungskraftmaschine erzielbar sind. Dies ermöglicht eine weitere Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO₂-Emissionen derselbigen.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass auch eine Kombination möglich ist, das heißt, dass das Zusatzbauteil sowohl zumindest bereichsweise mittels des Verdichtergehäuses aufgenommen als auch zumindest bereichsweise auf das Verdichtergehäuse aufgesteckt sein kann.
Weist das Zusatzbauteil im Bereich der ersten Strömungsöffnung des Bypasskanals ein Leitgitter auf, strömt also durch den Bypasskanal, der auch als Rückstromkanal bezeichnet werden kann, rezirkulierende Luft durch dieses Leitgitter, so hat dies den Vorteil inne, dass die rezirkulierende Luft dem Verdichterrad ideal, das heißt in einem äußerst günstigen Anströmwinkel und äußerst verlustarm, zuführbar ist, wenngleich eine Schwellenabströmung Richtung eines Ansaugtrakts stromauf der angesaugten Luft unterbindbar ist. Dadurch ist ein noch effizienterer, da verlustfreier Betrieb des Verdichters und damit des gesamten Abgasturboladers möglich, was mit einer weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine einher geht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Zusatzbauteil einen im Wesentlichen ringförmigen Bereich auf, mittels welchem der Bypasskanal zumindest bereichsweise auf einer einem Verdichtereintritt zugewandten Seite gebildet ist. Diese Seite weist also in Richtung des oben beschriebenen Ansaugtrakts. Durch einen derartigen ringförmigen Bereich ist eine Reduzierung von Schallemissionen des Verdichters erreicht, was ein reduziertes Geräusch während eines Betriebs des Verdichters bedeutet. Dies resultiert in einem deutlichen Komfortzugewinn für Insassen eines Kraftwagens mit einem Turbolader mit einem derartigen Verdichter infolge einer geringeren Geräuschbelästigung, was insbesondere bei langen Fahrten von großer Bedeutung für einen Reisekomfort ist.
Somit ist also ein kombiniertes Modul zur wirtschaftlichen Darstellung eines Verdichters eines Abgasturboladers mit einem Geräuschring und einem Rückstromkanal zur Stabilisierung des Verdichterkennfelds geschaffen, womit alle bisher beschriebenen Vorteile realisierbar sind.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Geräuschring über das Leitgitter mit dem den Bypasskanal zumindest bereichsweise bildenden Bereich des Zusatzbauteils verbunden ist. Damit ist ein Zusatzbauteil mit einem Geräuschring, einem Leitgitter und einem den Bypasskanal zumindest bereichsweise bildenden Bereich geschaffen, welches in einfacher, unkomplizierter und kostengünstiger Weise sowohl zu fertigen als auch zu montieren ist, was in geringen Kosten für das Zusatzbauteil und damit für den Verdichter resultiert.
Idealerweise sind die beschriebenen Komponenten des Zusatzbauteils einstückig ausgebildet, wodurch eine Teileanzahl reduziert ist, was mit einer weiteren Kostenreduzierung einher geht. Zudem sind zusätzliche Befestigungselemente wie beispielsweise Schraubelemente vermeidbar, was sowohl die Kosten als auch ein Gewicht des Verdichters gering hält, womit eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
Zur weiteren Verbesserung des Betriebs des Verdichters im Sinne einer Verbesserung seiner Effizienz und damit seines Wirkungsgrads ist vorgesehen, dass zumindest ein weiterer Bypasskanal zumindest bereichsweise mittels des Zusatzbauteils gebildet ist. Wie bereits in Zusammenhang mit dem ersten Bypasskanal erwähnt, kann dabei das Zusatzbauteil den Bypasskanal bereichsweise oder aber auch komplett alleine, das heißt mittels Wandungen des Zusatzbauteils, bilden. Dies bedeutet eine weitere Verbesserung des Verdichterkennfelds, wodurch der Verdichter in einem noch breiteren Spektrum an Betriebspunkten der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine anpassbar ist zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO₂-Emissionen.
Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der zumindest eine weitere Bypasskanal eine Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts umfasst. Umfasst er lediglich diese eine Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts, so ist ein Vorvolumen ausgebildet, in welches und aus welchem Luft durch die eine Strömungsöffnung strömen kann. Der weitere Bypasskanal kann somit bei Einsetzen von Ablösevorgängen an äußeren Spitzen des Verdichterrads im Bereich des Verdichterradeintritts damit verbundene Rückströmungen aufnehmen und eine ablösedämpfende Wirkung erzeugen, wodurch die Pumpgrenze des Verdichters ebenfalls vorteilhaft und betriebsstabil abgesenkt wird.
Der weitere Bypasskanal sowie der erste Bypasskanal kann dabei grundsätzlich rotationssymmetrisch oder auch asymmetrisch ausgebildet sein.
Umfasst der zumindest eine weitere Bypasskanal eine Strömungsöffnung stromauf des Verdichterradeintritts, und umfasst er lediglich diese eine Strömungsöffnung, so ist dadurch wiederum ein Vorvolumen geschaffen, durch das die in Zusammenhang mit dem Vorvolumen bereits beschriebenen Vorteile realisierbar sind.
Umfasst der zumindest eine weitere Bypasskanal sowohl die Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts als auch stromauf des Verdichterradeintritts, so ist dadurch ein weiterer durchgängiger Bypasskanal geschaffen, mit welchem die bereits in Zusammenhang mit dem ersten Bypasskanal beschriebenen Vorteile einer Stabilisierung des Verdichterkennfelds einher gehen.
Wie bereits angedeutet, kommen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verdichters mit einem erfindungsgemäßen Zusatzbauteil insbesondere bei einem Einsatz in einem Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine zum Tragen, deren Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen durch den erfindungsgemäßen Verdichter drastisch reduzierbar sind bei gleichzeitiger Reduzierung des Geräuschs durch den beschriebenen Geräuschring.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine perspektivische Ansicht eines Zusatzbauteils für einen Verdichter eines Abgasturboladers, mittels welchem ein Bypasskanal zur Verbreiterung eines Verdichterkennfelds bereichsweise ausbildbar ist, mit einem Vorleitgitter und einem Geräuschring und
2 eine Längsschnittansicht des Zusatzbauteils gemäß 1.
Während die 1 ein Zusatzbauteil zur Verbreiterung eines Verdichterkennfelds eines Verdichters eines Abgasturboladers bei gleichzeitiger Reduzierung einer Geräuschemission des Verdichters zeigt, mittels welchem Kosten für den Verdichter reduzierbar sind, zeigt die 2 eine Längsschnittansicht zur Verdeutlichung der Funktion dieses Zusatzbauteils.
Die 1 zeigt ein Zusatzbauteil 10 für einen Verdichter eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine, welches einen Geräuschring 12 umfasst, der über ein Vorleitgitter 14 mit einem Bereich 16 des Zusatzbauteils 10 verbunden ist, welcher Bereich 16 bereichsweise, das heißt in Zusammenspiel mit einem in der 1 nicht dargestellten Verdichtergehäuse, einen Bypasskanal bildet, mittels dessen ein Verdichterkennfeld des Verdichters mit dem Zusatzbauteil 10 verbreiterbar ist. Die Möglichkeit der Verbreiterung des Verdichterkennfelds ist bereits in Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben. Der Geräuschring 12 weist Befestigungslaschen 18 und 20 auf, die wiederum Durchgangsöffnungen 22 und 24 umfassen. Mittels den Befestigungslaschen 18 und 20 und den Durchgangsöffnungen 22 und 24 ist das Zusatzbauteil 10 in besonders einfacher Art und Weise und damit kostengünstig in das korrespondierende Verdichtergehäuse des Verdichters einsetzbar.
Das Vorleitgitter 14 erfüllt den Zweck, durch den genannten Bypasskanal rezirkulierende Luft einem mittels des Verdichtergehäuses aufgenommenen Verdichterrad effizient, das heißt in einem günstigen Anströmwinkel, zuzuführen zur Verbesserung einer Betriebsweise des Verdichters.
Wie ebenfalls in der 1 zu sehen ist, bildet eine Stirnseite 26 des Geräuschrings 12 den Bypasskanal auf einer einem Verdichtereintritt zugewandten Seite, wodurch eine Geräuschemission des Verdichters reduziert ist, was mit einer Komfortsteigerung für Insassen eines Personenkraftwagens mit einem Abgasturbolader mit einem Verdichter mit einem derartigen Zusatzbauteil 10 bedeutet.
In der 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in 1.
Die 2 verdeutlicht die Funktion des Zusatzbauteils 10, welches in der 2 mittels eines Verdichtergehäuses 28 aufgenommen ist. Zudem ist in der 2 ein Verdichterrad 30 dargestellt, welches ebenfalls mittels des Verdichtergehäuses 28 aufgenommen ist. Der in Zusammenhang mit 1 beschriebene Bypasskanal ist in der 2 mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet und ist bereichsweise durch das Verdichtergehäuse 28 und bereichsweise durch das Zusatzbauteil 10 beziehungsweise genauer gesagt durch den Bereich 16 und den Geräuschring 12 gebildet.
Die Luft strömt also durch eine Strömungsöffnung stromab eines Verdichterradeintritts 34 des Verdichterrads 30 in den Bypasskanal 32 ein, durchströmt den Bypasskanal 32 und strömt über eine Strömungsöffnung stromauf des Verdichterradeintritts 34 über das Vorleitgitter 14 aus dem Bypasskanal 32 hinaus, um wieder über den Verdichterradeintritt 34 in das Verdichterrad 30 einzutreten, um durch das Verdichterrad 30 schließlich verdichtet zu werden. Wie bereits angedeutet, sorgt das Vorleitgitter 14 für besonders günstige Anströmverhältnisse des Verdichterrads 30, wodurch ein besonders effizienter Betrieb des Verdichters und damit des Abgasturboladers mit einem derartigen Verdichter ermöglicht ist.
Wie aus der 2 deutlich abzuleiten ist, ist damit ein Aufwand zur Fertigung des Bypasskanals 32 deutlich reduziert, insbesondere im Vergleich zu bekannten Lösungen, bei welchen der Bypasskanal 32 nicht mittels eines Zusatzbauteils 10, sondern alleine durch das Verdichtergehäuse 28 gebildet ist, was eine äußerst komplexe und aufwändige Fertigung und damit hohe Kosten für einen derartigen Verdichter bedeutet. Dieser Aufwand und diese Kosten sind durch das Zusatzbauteil 10 in Zusammenhang mit einem Verdichter deutlich reduziert.

Claims

Verdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichtergehäuse (28), mittels welchem ein Verdichterrad (30) aufgenommen ist, und mit zumindest einem Bypasskanal (32), der eine erste Strömungsöffnung stromauf eines Verdichterradeintritts (34) des Verdichterrads (30) und eine zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts (34) im Bereich des Verdichterrads (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bypasskanal (32) zumindest bereichsweise durch ein vom Verdichtergehäuse (28) separates Zusatzbauteil (10) gebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzbauteil (10) mittels des Verdichtergehäuses (28) zumindest bereichsweise aufgenommen ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzbauteil (10) zumindest bereichsweise auf das Verdichtergehäuse (28) aufgesetzt ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzbauteil (10) im Bereich der ersten Strömungsöffnung des Bypasskanals (32) ein Leitgitter (14) aufweist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzbauteil (10) einen im Wesentlichen ringförmigen Bereich (12) aufweist, mittels welchem der Bypasskanal (32) zumindest bereichsweise auf einer einem Verdichtereintritt zugewandten Seite (26) gebildet ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Bypasskanal zumindest bereichsweise mittels des Zusatzbauteils (10) gebildet ist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Bypasskanal eine Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts (34) umfasst.
Verdichter nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Bypasskanal eine Strömungsöffnung stromauf des Verdichterradeintritts (34) umfasst.
Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.