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Die
Erfindung betrifft einen Verdichter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 und einen mit einem solchen Verdichter ausgerüsteten Turbolader, insbesondere
Abgasturbolader.
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In
dem Projektierungshandbuch der MAN Diesel SE (mit Sitz in Augsburg
in Deutschland) ist auf Seite 77 (Abschnitt 0410.02) ein Verdichter
der eingangsgenannten Art beschrieben. Ein solcher wie in 1 gezeigter
Verdichter 1' weist
ein Verdichtergehäuse 10' mit einem Lufteinlass 11' und einem Luftauslass 12', eine Triebwelle 30', die drehbar
in dem Verdichtergehäuse 10' gelagert ist,
so dass die Triebwelle 30' über einen
daran angreifenden Antrieb (in 1 nicht
gezeigt), wie z. B. einen Elektromotor oder ein Turbinenlaufrad
(beides nicht gezeigt), drehantreibbar ist, ein Verdichterlaufrad 40', das in dem Verdichtergehäuse 10' in Bezug auf
einen Luftströmungspfad
zwischen Lufteinlass 11' und
Luftauslass 12' auf
der Triebwelle 30' angeordnet
ist, und eine Mehrzahl von als Düsen
ausgebildeten Zuluftöffnungen 50' auf zum selektiven
Zuführen
von Zuluft auf das Verdichterlaufrad 40' in dem Verdichtergehäuse 10'. Damit kann
das Verdichterlaufrad 10' z.
B. bei einer plötzlichen
Lastzunahme an einer von dem Verdichter 1' mit Luft versorgten Verbrennungsmaschine unabhängig von
dem Antrieb beschleunigt werden, so dass eine von dem Verdichter 1' am Luftauslass 12' bereitgestellte
Luftmenge bzw. der am Luftauslass 12' abgreifbare Ladedruck erhöht wird.
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Bei
dieser Form von Drehzahlerhöhung
des Verdichterrades 40',
die auch als Jet Assist bezeichnet wird, wird Zuluft durch die düsenförmigen Zuluftöffnungen 50', welche in
einem Einsatzstück 13', das in das
Verdichtergehäuse 10' eingesetzt
ist, so dass das Einsatzstück 13' das Verdichterlaufrad 40' lufteinlassseitig
radial umschließt,
ausgebildet sind, auf die Beschaufelung des Verdichterlaufrades 40 geblasen.
Dadurch wird das Verdichterlaufrad beschleunigt und fördert somit
mehr Luft zu der Verbrennungsmaschine, wodurch deren Lastaufschaltverhalten verbessert
ist.
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Jet
Assist wird üblicherweise
bevorzugt bei niedrigen Drehzahlbereichen angewendet. Trotzdem kann
durch den Luftstrahl der Zuluft die Beschaufelung des Verdichterlaufrades 40' zu Schwingungen angeregt
werden. Solche Schwingungen können
jedoch zu Brüchen
führen.
Um den Schwingungen entgegenzuwirken, kann der Druck der auf die
Beschaufelung aufzublasenden Zuluft beschränkt werden, was jedoch gleichzeitig
die der Verbrennungsmaschine per Druckluftbeschleunigung zusätzlich bereitstellbare
Luftmenge begrenzt.
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Außerdem können die
Zuluftöffnungen 50' auch im hohen
Lastbereich, in dem keine Zuluft zugeführt wird, allein durch ihre
Existenz zu einer Schwingungsanregung der Beschaufelung des Verdichterlaufrades 40' führen. Das
Aufdicken der Beschaufelung zur Verringerung der Schwingungsbelastung
ist wegen des Wirkungsgradabfalles und der geringeren Schluckfähigkeit
des Verdichterlaufrades 40' nicht gewünscht. Die
Zuluftöffnungen 50' im Einsatzstück 13' können den
Wirkungsgrad des Verdichters 1' zusätzlich verringern, da durch
das ”Überwischen” der Beschaufelung
des Verdichterlaufrades 40' Randverluste
entstehen können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter für einen
Turbolader bereitzustellen, wobei der Verdichter verbesserte Betriebseigenschaften
hinsichtlich einer schnellen Luftmengenerhöhung bzw. Ladedruckerhöhung am
Luftauslass des Verdichters aufweist. Der Erfindung liegt ferner die
Aufgabe zugrunde, einen mit einem solchen Verdichter ausgerüsteten Turbolader
bereitzustellen.
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Dies
wird mit einem Verdichter gemäß Anspruch
1 bzw. einem Turbolader gemäß Anspruch
10 erreicht. Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung weist ein Verdichter für einen
Turbolader auf: ein Verdichtergehäuse mit einem Lufteinlass zum
Aufnehmen von in dem Verdichter zu verdichtender Luft und einem
Luftauslass zum Auslassen von in dem Verdichter verdichteter Luft,
eine Triebwelle, die drehbar in dem Verdichtergehäuse gelagert
ist, so dass die Triebwelle über
einen daran angreifenden Antrieb drehantreibbar ist, ein Verdichterlaufrad,
das in dem Verdichtergehäuse
in Bezug auf einen Luftströmungspfad
zwischen Lufteinlass und Luftauslass auf der Triebwelle angeordnet
ist, und wenigstens eine Zuluftöffnung
zum selektiven Zuführen
von Zuluft in das Verdichtergehäuse
zum von dem Antrieb unabhängigen
Erhöhen
einer von dem Verdichter am Luftauslass bereitgestellte Luftmenge.
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Der
erfindungsgemäße Verdichter
zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine Zuluftöffnung im
Luftströmungspfad
im Verdichtergehäuse zwischen
Verdichterlaufrad und Luftauslass angeordnet ist, so dass die Zuluft
einem aus dem Verdichterlaufrad ausgetretenen Luftstrom zum Luftauslass
hin zuführbar
ist.
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Dadurch,
dass die bedarfsabhängige
bzw. lastaufschaltungsabhängige
Zuluft erfindungsgemäß erst nachdem
der über
den Lufteinlass in den Verdichter eingesaugte Luftstrom das Verdichterlaufrad passiert
hat diesem Luftstrom zugeführt
wird, hat die Zuluft keine negativen Auswirkungen, wie z. B. eine Schwingungsanregung
der Beschaufelung des Verdichterlaufrades, auf das Verdichterlaufrad.
Somit unterliegt die Luftmenge bzw. der Druck der Zuluft keinen
verdichterbedingten Beschränkungen,
wodurch die einer an den Verdichter als Verbraucher angeschlossenen
Verbrennungsmaschine bei einer plötzlichen Lastaufschaltung schnell
zusätzlich
bereitstellbare Luftmenge (bzw. Ladedruck) keinen verdichterbedingten
Beschränkungen
unterliegt.
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Da
die Zuluft trotzdem innerhalb des Gehäuses, nämlich zwischen Verdichterlaufrad
und Luftauslass, zugeführt
wird, kann das System Verdichter und Lastaufschaltungs-Reaktionsglied
(hier die Zuluftöffnungen) äußerst kompakt
in einer Einheit realisiert werden, wobei eine Beeinträchtigung
(z. B. Beschädigung
durch Schwingungsanregung) des Verdichterlaufrades sicher vermieden
wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die wenigstens eine Zuluftöffnung
so ausgebildet, dass die Zuluft richtungskonform zu einer Strömungsrichtung
des Luftstroms zum Luftauslass hin zuführbar ist. Richtungskonform
ist erfindungsgemäß so zu
verstehen, dass die Strömungsrichtung
der Zuluft ähnlich
der Strömungsrichtung
des von dem Verdichterlaufrad kommenden Luftstroms ist. Bevorzugt
trifft die Zuluft in einem Winkel von kleiner 90 Grad und noch bevorzugter
kleiner 45 Grad auf den von dem Verdichterlaufrad kommenden Luftstrom
auf. Damit werden Verwirbelungen und damit einhergehende Leistungsverluste
weitestgehend reduziert.
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Noch
bevorzugter ist die wenigstens eine Zuluftöffnung so ausgebildet, dass
die Zuluft richtungsgleich, d. h. im Wesentlichen parallel, zur
Strömungsrichtung
des Luftstroms zum Luftauslass hin zuführbar ist. Damit werden Verwirbelungen
und damit einhergehende Leistungsverluste minimiert.
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Gemäß noch einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist in dem Verdichtergehäuse
eine Verdichterspirale ausgebildet, wobei sich die Verdichterspirale
als Luftpassage im Luftströmungspfad über eine
sich radial erstreckende Zwischenpassage bzw. Diffusorpassage an
das Verdichterlaufrad anschließt
und in den Luftauslass mündet,
und wobei die wenigstens eine Zuluftöffnung in der Zwischenpassage
oder der Verdichterspirale ausgebildet ist.
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Durch
die Zuführung
der Zuluft im Bereich der Zwischenpassage oder der Verdichterspirale
hat der aus Zuluft und vom Verdichterlaufrad kommendem Luftstrom
bestehende Gesamtluftstrom ausreichend Zeit und Weg zur Verfügung, so
dass Verwirbelungen ausklingen können
und der Gesamtluftstrom eine homogene Form annehmen kann. Damit ist
diese Zufuhr von extern erzeugter unter Druck stehender Zuluft für einen
am Verdichter angeschlossenen Verbraucher, wie einer Verbrennungsmaschine (z.
B. einem Dieselmotor), strömungstechnisch
gesehen kaum ”wahrnehmbar”, so dass
ein optimales Lastaufschaltverhalten des Verbrauchers erzielbar ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
weist dieser ferner einen Nachleitapparat auf, der in der Zwischenpassage
angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Zuluftöffnung bevorzugt in einer Wandung
der Zwischenpassage in einem Auslassbereich des Nachleitapparats
ausgebildet ist.
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Die
Anordnung nach dem Nachleitapparat bietet einerseits eine zusätzliche
Barriere für
eine Rückströmung der
Zuluft auf das Verdichterlaufrad und gewährleistet andererseits, dass
der vom Verdichterlaufrad kommende Luftstrom vorgerichtet und ggf.
weiter beschleunigt auf den Zuluftstrom trifft, so dass danach im
Wesentlichen nur die durch die Zuluft hervorgerufenen Verwirbelungen
ausgeglichen werden müssen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die wenigstens eine Zuluftöffnung
in einer Wandung eines Übergangs
von Zwischenpassage und Verdichterspirale ausgebildet. Bevorzugt
verläuft
diese Wandung im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des vom Verdichterlaufrad
kommenden Luftstroms, so dass die Zuluft nahezu parallel in diesen
Luftstrom einströmen
kann, wodurch Verwirbelungen minimiert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die wenigstens eine Zuluftöffnung
in einer Wandung der Verdichterspirale ausgebildet.
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In
Kenntnis der konkreten Strömungsverhältnisse
in der Verdichterspirale kann die Zuluftöffnung so (z. B. als schräge(r) Schlitz
oder Bohrung) vorgesehen werden, dass die Zuluft verwirbelungsarm
in den Luftstrom zum Luftauslass hin einströmt Gemäß einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die wenigstens eine Zuluftöffnung
in einem in einer Axialrichtung des Verdichters direkt zu der Zwischenpassage
benachbarten bzw. der Zwischenpassage zugewandten richtungskonform
dazu verlaufenden Wandabschnitt der Wandung der Verdichterspirale
ausgebildet.
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Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die Zuluftöffnung
in einem zu dem Verdichterlaufrad benachbarten, in einer Radialrichtung
des Verdichters inneren Wandabschnitt der Wandung der Verdichterspirale
ausgebildet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
weist dieser ferner ein Einsatzstück auf, das in das Verdichtergehäuse eingesetzt
ist, so dass das Einsatzstück
das Verdichterlaufrad radial umschließt, wobei zwischen einem Außenumfang
des Einsatzstücks
und dem Verdichtergehäuse
eine in der Zuluftöffnung
endende Zuluftpassage ausgebildet ist, und wobei die Zuluftpassage
einen Zulufteingang aufweist, der an einer Außenseite des Verdichtergehäuses angeordnet
ist.
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Somit
lässt sich
die Zuluft einfach zuführen, wobei
bevorzugt ein bei den üblichen
Jet Assist Systemen vorgesehener Anschluss und ggf. auch Teile von
deren Luftkanälen
genutzt werden können,
so dass einerseits der konstruktive Änderungsaufwand minimiert wird
und andererseits ggf. sogar eine Umrüstung und/oder Aufrüstung existierender
Verdichter möglich
ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verdichters
ist der Verdichter als einstufiger Radialverdichter bzw. Zentrifugalverdichter
ausgebildet.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung weist ein Turbolader einen Verdichter
gemäß einer, mehreren
oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
in jeder denkbaren Kombination auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Turboladers
weist dieser ferner eine Turbine auf, die ein Turbinengehäuse und
ein den Antrieb für
die Triebwelle bildendes Turbinenlaufrad aufweist, das in dem Turbinengehäuse angeordnet ist
und das auf der Triebwelle angeordnet ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter
beschrieben.
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1 zeigt
eine perspektivische Teilschnittansicht eines Verdichters gemäß dem Stand
der Technik.
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2 zeigt
eine Schnittansicht eines Turboladers gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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3 beinhaltet die 3A bis 3E,
welche schematische Schnittansichten zeigen, in denen Anordnungsmöglichkeiten
für eine
oder mehrere Zuluftöffnungen
gemäß Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind.
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4 zeigt
eine perspektivische Teilschnittansicht eines Verdichters gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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5 zeigt
eine Ansicht in Axialrichtung eines Verdichters gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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6 beinhaltet die 6A und 6B, welche
vergrößerte Teilansichten
des Verdichters von 5 zeigen.
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7 zeigt
eine vergrößerte geschnittene Teilansicht
eines Verdichters gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 Ausführungsformen
eines Turboladers gemäß der Erfindung
beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt, weist ein Turbolader eine hier per
Abgas angetriebene Turbine 2 und einen von der Turbine 2 angetriebenen
Verdichter 1 auf. Mit anderen Worten handelt es sich bei
dem in 2 dargestellten Turbolader um einen Abgasturbolader.
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Der
Verdichter 1 weist ein Verdichtergehäuse 10 mit einem Lufteinlass 11 zum
Aufnehmen von in dem Verdichter 1 zu verdichtender Luft
und einem Luftauslass 12 zum Auslassen von in dem Verdichter 1 verdichteter
Luft, eine Triebwelle 30, die drehbar in dem Verdichtergehäuse 10 gelagert
ist, so dass die Triebwelle 30 über einen daran angreifenden
Antrieb der Turbine 2 drehantreibbar ist, und ein Verdichterlaufrad 40 mit
einer Beschaufelung 41 auf, wobei das Verdichterlaufrad 40 in
dem Verdichtergehäuse 10 in Bezug
auf einen Luftströmungspfad
zwischen Lufteinlass 11 und Luftauslass 12 und
auf der Triebwelle 30 angeordnet ist.
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Die
Turbine 2 ist in üblicher
Weise ausgebildet und weist ein Turbinengehäuse 20 und ein den Antrieb
für die
Triebwelle 30 bildendes Turbinenlaufrad 21 auf,
das in dem Turbinengehäuse 20 und
auf der Triebwelle 30 angeordnet ist.
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In
dem Verdichtergehäuse 10 des
Verdichters 1 sind eine Diffusorpassage bzw. Zwischenpassage 14 und
eine Verdichterspirale 15 in Form eines Spiralgehäuses ausgebildet.
Die Verdichterspirale 15 schließt sich als Luftpassage im
Luftströmungspfad über die
sich radial erstreckende Zwischenpassage 14 an das Verdichterlaufrad 40 an
und mündet
in den Luftauslass 12.
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Der
Verdichter 1 weist ferner einen Nachleitapparat 60,
der in der Zwischenpassage 14 angeordnet ist, sowie eine
oder mehrere Zuluftöffnungen 50 (im
Folgenden wird der Einfachheit halber nur auf wenigstens eine Zuluftöffnung 50 Bezug
genommen) auf, deren mögliche
Positionen in dem Verdichter 1 schematisch in Form von
Pfeilen in den 3A bis 3E gezeigt
sind. Die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 dient
zum selektiven Zuführen
von Zuluft (in Form von Druckluft bzw. Einblaseluft) in das Verdichtergehäuse 10 zum
von dem Antrieb unabhängigen Erhöhen einer
von dem Verdichter 1 am Luftauslass 12 bereitgestellten
Luftmenge (bzw. zum dementsprechenden Erhöhen des Ladedrucks).
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Die
wenigstens eine Zuluftöffnung 50 ist
im Luftströmungspfad
im Verdichtergehäuse 10 zwischen
Verdichterlaufrad 40 und Luftauslass 12 angeordnet,
so dass die Zuluft einem aus dem Verdichterlaufrad 40 ausgetretenen
Luftstrom zum Luftauslass 12 hin zuführbar ist. Gemäß Ausführungsformen
der Erfindung ist die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in einem
von der Zwischenpassage 14 und der Verdichterspirale 15 ausgebildet.
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Wie
aus 2 und 4 ersichtlich, weist der Verdichter 1 ferner
ein Einsatzstück 13 auf,
das lufteinlassseitig in das Verdichtergehäuse 10 eingesetzt
ist, so dass das Einsatzstück 13 das
Verdichterlaufrad 40 radial umschließt, wobei zwischen einem Außenumfang
des Einsatzstücks 13 und
dem Verdichtergehäuse 10 eine
in der wenigstens einen Zuluftöffnung 50 endende
bzw. mündende
Zuluftpassage 51 (siehe 4 der fett
dargestellte Pfeil im rechtsseitigen Vergrößerungsausschnitt) ausgebildet ist,
und wobei die Zuluftpassage 51 einen Zulufteingang (nicht
gezeigt) aufweist, der an einer Außenseite des Verdichtergehäuses 10 angeordnet
ist.
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Die
Zuluft kann z. B. einer Startflasche (nicht gezeigt) eines mit dem
Turbolader ausgerüsteten Motors
(z. B. Dieselmotors) oder einer anderen Druckluftquelle (nicht gezeigt)
entnommen werden und der Zuluftpassage 51 über deren Zulufteingang zugeführt werden.
Dabei kann vorteilhafterweise z. B. der bisherige Luftanschluss
eines Jet Assist Systems am Verdichtergehäuse 10 verwendet werden. Die
Zuluft gelangt dann entlang der Zuluftpassage 51 über einen
bereits vorhandenen Kanal in den Raum zwischen Verdichtergehäuse 10 und
Einsatzstück 13,
von dem aus die Zuluft zu der wenigstens einen Zuluftöffnung 50 geführt wird,
wo sie austritt.
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Wie
aus 3 ersichtlich, ist gemäß Ausführungsformen
der Erfindung die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 so ausgebildet,
dass die Zuluft richtungskonform zu einer Strömungsrichtung des Luftstroms
zum Luftauslass 12 hin zuführbar ist (vgl. die 3A, 3C, 3E, 3D).
Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 so ausgebildet,
dass die Zuluft richtungsgleich zur Strömungsrichtung des Luftstroms
zum Luftauslass 12 hin zuführbar ist.
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Wie
in 3A und 7 sowie 3E gezeigt,
ist gemäß Ausführungsformen
der Erfindung die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in einer
Wandung der Verdichterspirale 15 ausgebildet.
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Gemäß 3A und 7 ist
die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in
einem in einer Axialrichtung des Verdichters 1 direkt zu
der Zwischenpassage 14 benachbarten Wandabschnitt 15a der
Wandung der Verdichterspirale 15 ausgebildet.
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Gemäß 3E ist
die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in
einem zu dem Verdichterlaufrad 40 benachbarten, in einer
Radialrichtung des Verdichters 1 inneren Wandabschnitt 15b der
Wandung der Verdichterspirale 15 ausgebildet.
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Wie
in 3B sowie 5, 6A und 6B gezeigt,
ist gemäß einer
Ausführungsform der
Erfindung die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in einer
Wandung eines eine Schulter bildenden Übergangs von Zwischenpassage 14 und Verdichterspirale 15 ausgebildet.
Bevorzugt verläuft
diese Wandung bzw. Schulter im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung
des vom Verdichterlaufrad 40 kommenden Luftstroms, so dass
die Zuluft nahezu tangential in diesen Luftstrom einströmen kann,
wodurch Verwirbelungen minimiert werden.
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Wie
in 3C und 3D gezeigt,
ist gemäß Ausführungsformen
der Erfindung die wenigstens eine Zuluftöffnung 50 in einer
Wandung der Zwischenpassage 14 in einem Auslassbereich
des Nachleitapparats 60 (in den 3C und 3D nicht
gezeigt, vgl. 2) ausgebildet. Der Austritt
der Zuluft erfolgt dabei vorteilhafterweise in etwa in Richtung
der Abströmung
des Nachleitapparates 60, also richtungskonform dazu.
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Die
eine oder mehreren Zuluftöffnungen 50 können als
schräge
oder gerade Schlitze oder Bohrungen ausgeführt sein.
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Die
durchströmte
Fläche
der Schlitze oder Bohrungen kann dabei wesentlich größer gewählt werden
als dies bei einem Jet Assist System möglich ist, da auf die Anregung
der Beschaufelung 41 des Verdichterlaufrades 40 keine
Rücksicht
genommen werden muss. Auch der Wirkungsgradnachteil, der durch die
beim Jet Assist System vorgesehenen Zuluftöffnungen 51' (siehe 1)
verursacht wird, tritt bei der/den erfindungsgemäß ausgestalteten Zuluftöffnung(en) 50 nicht
auf.
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- 1'
- Verdichter
- 10'
- Verdichtergehäuse
- 11'
- Lufteinlass
- 12'
- Luftauslass
- 13'
- Einsatzstück
- 30'
- Triebwelle
- 40'
- Verdichterlaufrad
- 50'
- Zuluftöffnung
- 1
- Verdichter
- 10
- Verdichtergehäuse
- 11
- Lufteinlass
- 12
- Luftauslass
- 13
- Einsatzstück
- 14
- Zwischenpassage
- 15
- Verdichterspirale
- 15a
- Wandabschnitt
- 15b
- Wandabschnitt
- 2
- Turbine
- 20
- Turbinengehäuse
- 21
- Turbinenlaufrad
- 30
- Triebwelle
- 40
- Verdichterlaufrad
- 41
- Beschaufelung
- 50
- Zuluftöffnung
- 51
- Zuluftpassage
- 60
- Nachleitapparat