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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Radialverdichter für
einen Turbolader, einen Turbolader und ein Verfahren zum Betreiben
eines solchen Turboladers.
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Die
DE 10 2004 041 166
A1 beschreibt den bekannten Aufbau eines Turboladers für
ein Kraftfahrzeug, der im Wesentlichen aus einer Radialturbine und
einem im Ansaugtrakt des Motors angeordneten Radialverdichter, der über
eine Turboladerwelle drehfest mit dem Turbinenrad gekoppelt ist,
besteht. Der Abgasstrom, der eine hohe kinetische und thermische
Energie aufweist, treibt im Betrieb das Turbinenrad an, welches über
die Kopplung mit der Turboladerwelle das Verdichterrad in Rotation
versetzt. Der Radialverdichter saugt Luft an und verdichtet diese, wodurch
im Ansaugtrakt des Motors nun eine entsprechend größere
Masse Frischluft und damit mehr Sauerstoff zur Verfügung
steht als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit erhöht
sich der Motor-Mitteldruck und somit das Motor-Drehmoment, was zu
einer höheren Leistungsabgabe des Motors führt.
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Herkömmliche
Radialverdichter von Turboladern weisen typischerweise einen eingeschränkt nutzbaren
Einsatzbereich hinsichtlich Massenstrom und Druckverhältnis
auf. Bei einer Verwendung eines Abgasturboladers treten im Motorbetrieb
bisweilen Betriebszustände auf, welche außerhalb
des vorgegebenen Betriebskennfeldbereiches des Radialverdichters
liegen. Besonders Verbrennungsmotoren mit einer hohen Leistungsausbeute
von über 100 kW pro Liter Hubraum benötigen ein
breiteres Ver dichterkennfeld, d. h. der Verdichter sollte über
den gesamten Drehzahl- und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors
funktionsfähig und damit wirksam sein. Insbesondere der
Betrieb bei kleinen Massenströmen und hohen Druckverhältnissen über
den Radialverdichter, z. B. bei der Schubabschaltung des Verbrennungsmotors,
ist aufgrund des so genannten Verdichterpumpens unerwünscht.
Bei einem hohen Luftmassenstrom über den Verdichter, beispielsweise
in Folge einer hohen Motordrehzahl, stellt sich eine hohe Turboladerdrehzahl
und damit verbunden ein großer Ladeluftmassenstrom in den
Luftsammler des Verbrennungsmotors ein. Wird die Drosselklappe des
Verbrennungsmotors aus einem solchen Betriebszustand schnell geschlossen,
beispielsweise bei der Schubabschaltung, so nimmt der aus dem Luftsammler
ausfließende Luftmassenstrom sehr schnell ab. Aufgrund
der Trägheit des Ladeluftstroms kommt es zu einem Druckanstieg
in dem Luftsammler bei abnehmendem Ladeluftmassenstrom. Dabei kann
sich die Strömung von den Verdichterschaufeln lösen
und die Luft durch den Verdichter zurückströmen
lassen, was den Druck absinken lässt. Da sich die Drehzahl
des Verdichterrades aufgrund der hohen Rotationsenergie nur langsam
an den verringerten Ladeluftbedarf anpasst, kehrt sich die Strömungsrichtung
nach Einstellung entsprechender Druckverhältnisse über
dem Verdichter erneut um. Der Vorgang wiederholt sich in rascher
Folge und wird aufgrund des dabei entstehenden charakteristischen
Geräusches als Verdichterpumpen bezeichnet. Durch das Verdichterpumpen
werden die Axiallager und das Verdichterrad des Turboladers übermäßig
stark belastet. Dies kann die Lebensdauer des Turboladers reduzieren.
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Um
das Verdichterpumpen zu verhindern, werden beispielsweise so genannte
Schubumluftventile eingesetzt. Eine Turboladeranordnung mit einem
solchen Umluftventil ist beispielsweise in der
DE 10 2005 054 525 A1 beschrieben.
Ein Umluftventil stellt eine Verbindung zwischen der Druckseite
und der Saugseite des Verdichters dar. Dadurch kann die Druckseite
des Verdichters durch ein vorübergehendes Öffnen
des Umluftventils zur Saugseite des Verdichters entlastet werden.
Die Luft wird dann im Kreis gefördert.
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Problematisch
an dieser Anordnung ist, dass die Enthalpie der im Kreis geförderten
Luft nicht genutzt wird, da die von dem Verdichter erbrachte Arbeit
zur Kreisförderung der Luft als reine Verlustleistung erbracht
wird. Zudem ist bei einem gleichzeitigen Einsatz eines so genannten
Wastegate-Ventils, wie es beispielsweise in der
DE 694 04 630 T2 beschrieben
ist und welches bei modernen Abgasturboladern zur Steuerung des
Abgasstroms eingesetzt wird, auf der Turbinenseite des Turboladers
die Turbinenleistung bei einem kleinen Abgasmassenmomentanstrom
nicht ausreichend für das Kreisfördern der Luft
auf der Verdichterseite. Das Schluckvermögen einer Turbine,
welche üblicherweise bei einem Ottomotor eingesetzt wird,
ist nicht einstellbar und die Turbine ist für einen mittleren
Drehzahl und Leistungsbereich des Verbrennungsmotors dimensioniert.
Das heißt, bei einem kleinen Abgasmomentanstrom, beispielsweise
im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors, bei welchem auch
die Gefahr des Verdichterpumpens sehr groß ist, weist die Turbine
ein viel zu großes Schluckvermögen auf und kann
daher nicht die erforderliche Leistung auf den Verdichter übertragen,
welche zur verdichterseitigen Kreisförderung der Luft über
das Umluftventil erforderlich wäre. Der Einsatz des Schubumluftventils
zur Verhinderung des Verdichterpumpens kann somit auch durch den
Einsatz eines solchen Umluftventils nicht zuverlässig gewährleistet
werden.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, das Betriebsverhalten bei einem Abgasturbolader zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Radialverdichter
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch einen Turbolader
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und/oder durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein
Radialverdichter für einen Turbolader, insbesondere für
ein Kraftfahrzeug, mit einem Verdichtergehäuse, mit einem
in dem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterrad, wobei
das Verdichterrad eine Verdichterbeschaufelung zur Kompression von
angesaugter Luft und eine Turbinenbeschaufelung zur Expansion der
Luft aufweist.
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Ein
Turbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem
erfindungsgemäßen Radialverdichter.
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Ein
Verfahren zum Betreiben eines Turboladers, der einen erfindungsgemäßen
Radialverdichter aufweist, mit einem ersten Betriebsmodus, bei dem mittels
der Verdichterbeschaufelung des Verdichterrades angesaugte Luft
komprimiert wird und bei dem zugleich zumindest teilweise die angesaugte
und komprimierte Luft mittels der Turbinenbeschaufelung expandiert
wird.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
das Verdichterrad eines Radialverdichters bzw. eines Turboladers
neben der Verdichterbeschaufelung gleichzeitig auch mit einer Turbinenbeschaufelung
auszustatten. Somit kann mit dem Verdichterrad die Enthalpie der
Luft über die Verdichterbeschaufelung erhöht und,
bei Bedarf, gleichzeitig mittels der Turbinenbeschaufelung reduziert
werden. Bei der Expansion der Luft durch die Turbinenbeschaufelung
wird die Enthalpie der Luft verringert und Energie an das Verdichterrad
zurückgeführt.
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Erfindungsgemäß kann
das Verdichterpumpen verhindert werden und gleichzeitig die Enthalpie der
zu der Turbinenbeschaufelung geführten Luft genutzt werden,
indem über die Turbinenbeschaufelung Rotationsenergie an
das Verdichterrad zurückgeführt wird.
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Das
Verdichterrad, die Verdichterbeschaufelung und die Turbinenbeschaufelung
bilden ein einteiliges und vorzugsweise sogar ein einstückiges Bauteil.
Die Verdichterbeschaufelung dient der Kompression von Frischluft,
welche dem Radialverdichter über einen Anströmbereich
zugeführt wird. Das Verdichterrad ist in einem Verdichtergehäuse
angeordnet. Der Radialverdichter ist bevorzugt ein Bestandteil eines
Turboladers für einen Verbrennungsmotor, z. B. eines Diesel-
oder Ottomotors. Über einen Abströmbereich wird
die komprimierte Luft von der Verdichterbeschaufelung abgeführt
und anschließend dem Motor über dessen Ansaugtrakt
zugeführt. Die Turbinenbeschaufelung dient der Entspannung
eines Teils der von der Verdichterbeschaufelung komprimierten Luft.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus der Beschreibung
in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind
die Verdichterbeschaufelung und die Turbinenbeschaufelung auf entgegen gesetzten
Stirnflächen des Verdichterrades angeordnet. Hierdurch
ist eine vorteilhafte Trennung des Verdichterbereiches und des Turbinenbereiches
bereits durch das Verdichterrad selbst gegeben, wodurch sich eine
einfachere Konstruktion des Verdichtergehäuses ergibt.
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In
einer typischen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die
Turbinenbeschaufelung derart beschaffen und so am Verdichterrad
angeordnet, dass die Turbinenbeschaufelung bei der Expansion der
Luft mechanische Energie an das Verdichterrad abgibt und so auf
das Verdichterrad Rotationsenergie überträgt.
Dadurch ist es möglich, die Enthalpie der zurückgeführten
Luft zu nutzen, wodurch der Wirkungsgrad des Radialverdichters erhöht
wird.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
beinhaltet das Verdichtergehäuse gleichzeitig auch ein
Turbinengehäuse des Turboladers und bildet vorzugsweise
gleichsam das Turbinengehäuse. Diese Ausgestaltung ermöglicht
eine sehr Platz und Gewicht sparende Konstruktion des Verdichtergehäuses,
wodurch sich auch ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der
Konstruktion von Abgasturboladern und dem Design des Motorraumes
eines Personenkraftwagens ergibt. Die Gewicht sparende Konstruktion
eines solchen Abgasturboladers ist zudem aus Gründen der
Kostenreduzierung von Vorteil. Diese erfindungsgemäße
Ausgestaltung ermöglicht zudem den Einsatz der Konstruktion
auch bei sehr beengten Platzverhältnissen im Motorraum
eines Kraftfahrzeugs.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
weist der Radialverdichter einen ersten Strömungspfad auf,
der zwischen einem Anströmbereich und/oder einem Abströmbereich
der Verdichterbeschaufelung und einem Anströmbereich der
Turbinenbeschaufelung angeordnet ist. Dadurch kann über
den ersten Strömungspfad die der Turbinenbeschaufelung
zugeführte Luftmenge über den Querschnitt des
ersten Strömungspfades geregelt werden, wodurch eine sehr
einfache, jedoch nichtsdestotrotz sehr exakte Regelung realisiert
ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
der Radialverdichter ein steuerbares Absperrventil auf, welches
in dem ersten Strömungspfad angeordnet ist und über
welches der erste Strömungspfad verschließbar
ist. Durch diese Ausgestaltung kann je nach Betriebszustand des
Motors die Turbinenbeschaufelung des Verdichterrades mit der gewünschten
Luftmenge versorgt werden oder die Funktion der Turbinenbeschaufelung
auch völlig ausgeschaltet werden. Hierdurch lässt
sich in allen Betriebszuständen des Motors ein idealer
Wirkungsgrad des Verdichters realisieren.
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In
einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
weist der Radialverdichter ein steuerbares Abblasventil auf, welches
im Bereich der Turbinenbeschaufelung angeordnet ist und über
welches die expandierte Luft aus dem Bereich der Turbinenbeschaufelung
abblasbar ist. Diese konstruktiv sehr einfache Lösung ermöglicht
es, im Bereich der Turbinenbeschaufelung einen Luftdruck aufrecht
zu erhalten, welcher einen Axialschub auf das Verdichterrad bewirkt
und dadurch gegen den Axialschub der auf die Verdichterbeschaufelung
strömenden Frischluft wirkt. Hierdurch werden die Axiallager
des Radialverdichters bzw. des Turboladers entlastet, was die Reibleistung
des Axiallagers signifikant verringert.
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Auch
dies ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad
bei der Konstruktion von Abgasturboladern und damit einen Kostenvorteil.
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In
einer dazu alternativen, jedoch ebenso bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung weist der Radialverdichter einen zweiten
Strömungspfad auf, welcher einen Bereich der Turbinenbeschaufelung
mit dem Anströmbereich der Verdichterbeschaufelung verbindet
und die von der Turbinenbeschaufelung expandierte Luft dem Anströmbereich der
Verdichterbeschaufelung zuführt. Dadurch ist ein Kreisfördern
der zu der Turbinenbeschaufelung geführten Luft möglich.
Das bedingt den Vorteil, dass die von einem Luftmassenmesser ermittelte
Luftmenge nicht um einen Luftmengenverlust korrigiert werden muss,
da die Luft den Ansaugtrakt des Motors nicht verlässt.
Dies vereinfacht die Motorsteuerung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
weist der Turbolader ein Turbinengehäuse, ein in dem Turbinengehäuse
angeordnetes Turbinenrad, und eine Turboladerwelle auf, welche ein
Verdichterrad des Radialverdichters mit dem Turbinenrad drehfest
verbindet. Dadurch ist es möglich, das Verdichterrad durch
das im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnete Turbinenrad
anzutreiben und den Verbrennungsmotor mit verdichteter Luft zu versorgen.
Hierdurch erhöht sich die Leistung des Verbrennungsmotors.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist
das Verfahren einen zweiten Betriebsmodus auf, bei dem ein in einem
ersten Strömungspfad vorgesehenes Absperrventil geschlossen
ist, wodurch die gesamte komprimierte Luft einem Verbrennungsmotor
zugeführt wird. Hierdurch ist es möglich, beispielweise
bei einem Betriebszustand des Verbrennungsmo tors mit hoher Drehzahl
die gesamte komprimierte Luft zur Aufladung des Verbrennungsmotors
zu Verwenden. Hierdurch wird die Leistung des Verbrennungsmotors
erhöht.
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In
einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
weist das Verfahren einen dritten Betriebsmodus auf, bei dem ein
in einem dritten Strömungspfad vorgesehenes Abblasventil geöffnet
ist, wodurch die von der Turbinenbeschaufelung expandierte Luft
abblasbar ist. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich,
den von der expandierten Luft im Bereich der Turbinenbeschaufelung
erzeugten Luftdruck durch eine einfache und kostengünstige
Konstruktion abzulassen.
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Die
obigen Ausgestaltungen lassen sich auf beliebige Weise miteinander
kombinieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine
schematische Teilansicht eines Schnittes durch einen erfindungsgemäßen
Radialverdichter gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine
schematische Teilansicht eines Schnittes durch eine bevorzugte Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Radialverdichters gemäß einer zweiten
Ausführungsform;
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3 eine
schematische Teilansicht eines Schnittes durch eine weitere bevorzugte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radialverdichters
gemäß einer dritten Ausführungsform;
und
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4 eine
schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem Turbolader
mit einem erfindungsgemäßen Radialverdichter.
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In
den Figuren der Zeichnung sind – sofern nichts Anderes
ausgeführt ist – gleiche Bauteile, Elemente und
Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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1 zeigt
eine schematische Teilansicht eines Schnittes durch einen erfindungsgemäßen
Radialverdichter gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Der
Radialverdichter ist hier mit Bezugszeichen 1 bezeichnet.
Der Radialverdichter 1 weist ein einstückiges
Verdichterrad 2 mit sowohl einer Verdichterbeschaufelung 3 und
einer an dem Verdichterrad vorgesehene Turbinenbeschaufelung 4 auf.
Einstückig oder einteilig bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass die Verdichterbeschaufelung 3 und die Turbinenbeschaufelung 4 untrennbar
oder lediglich mit Werkzeugen trennbar an dem Verdichterrad 2 befestigt
sind und damit Bestandteil des Verdichterrades 2 sind.
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In 1 ist
der Anströmbereich mit Bezugszeichen 7 und der
Abströmbereich der Verdichterbeschaufelung 3 mit
Bezugszeichen 8 bezeichnet. Das Verdichterrad 2 ist
in einem Verdichtergehäuse 5 angeordnet. Das Verdichtergehäuse 5 weist
zudem ein Turbinengehäuse 6 mit einem Anströmbereich 9 der Turbinenbeschaufelung 4 auf.
Das Turbinengehäuse 6 wird im Beispiel in 1 gleichsam
durch das Verdichtergehäuse 5 gebildet.
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Die
Verdichterbeschaufelung 3 und die Turbinenbeschaufelung 4 sind
auf entgegen gesetzten Stirnflächen des Verdichterrades 2 vorgesehen.
Das Verdichterrad 2 ist dabei so angeordnet, dass die Verdichterbeschaufelung 3 sich
in dem Anströmbereich 7 der Frischluft befindet.
Der Verdichter 1 weist einen ersten Strömungspfad 10 im
Abströmbereich 8 der Verdichterbeschaufelung 3 auf,
welcher es ermöglicht, dass Luft von der Seite der Verdichterbeschaufelung 3 auf
die Seite der Turbinenbeschaufelung 4 des Verdichterrades 2 strömen
kann. Der Strömungspfad 10 kann als eine die Außenkante
des Verdichterrades 2 umlaufende Aussparung im Verdichtergehäuse 5 oder
im Diffusor des Radialverdichters 1 vorgesehen sein. Alternativ
dazu besteht auch die konstruktive Möglichkeit, eine Bohrung
oder auch eine Vielzahl von Bohrungen, welche ebenfalls umlaufend
zur Außenkante des Verdichterrades 2 angeordnet
sind, im Verdichtergehäuse 5 vorzusehen. Diese
Bohrungen dienen dann der fluidischen Verbindung der Seite des Verdichterrades 2 mit
der Verdichterbeschaufelung 3 mit der Seite des Verdichterrades 2 mit
der Turbinenbeschaufelung 4.
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In
dem ersten Strömungspfad 10 ist ein steuerbares
Absperrventil 11 angeordnet. Das Absperrventil 11 kann
in dem Fall, dass der erste Strömungspfad 10 als
umlaufende Aussparung im Verdichtergehäuse 5 ausgebildet
ist, als verstellbare Lamellen- oder Irisblende ausgebildet sein.
Alternativ dazu kann das Absperrventil 11 auch als verstellbare,
das Verdichterrad 2 radial umlaufende Beschaufelung ausgebildet
sein. Wenn der erste Strömungspfad 10 konstruktiv
als Bohrung oder Bohrungen ausgeführt ist, können
beispielsweise auch kostengünstige und einfach verfügbare
Kolben- oder Membranventile als Absperrventil 11 Anwendung
finden. Alternativ dazu, in 1 nicht
dargestellt, kann der erste Strömungspfad 10 auch
im Anströmbereich 7 der Verdichterbeschaufelung 3 angeordnet
sein. Das Absperrventil 11 kann z. B. druckgesteuert, elektronisch
gesteuert, etc. ausgebildet sein.
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Das
Verdichterrad 2 ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff
ausgebildet, es kann jedoch auch aus einem keramischen Werkstoff
oder einem Kompositwerkstoff, wie beispielsweise einem Metall-Keramik-Kompositwerkstoff,
ausgebildet sein. Für das Verdichtergehäuse findet
bevorzugt ein metallischer Werkstoff Anwendung, insbesondere eine Aluminium-Druckgusslegierung.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise des in 1 dargestellten
Radialverdichters 1 kurz erläutert:
Über
den Anströmbereich 7 wird der Verdichterbeschaufelung 3 Frischluft
zugeführt. Durch die Verdichterbeschaufelung 3 wird
die Frischluft komprimiert. Die komprimierte Luft wird über
den Abströmbereich 8 von der Verdichterbeschaufelung 3 abgeführt.
Die komprimierte Luft wird nun einem, in 1 nicht
dargestellten, Verbrennungsmotor zugeführt. In einem Betriebszustand
des Radialverdichters 1, z. B. bei einem hohen Massenstrom über
den Radialverdichter 1, beispielsweise bei einer hohen
Motordrehzahl, ist das Absperrventil 11 vollständig
geschlossen und die gesamte komprimierte Luft wird dem Verbrennungsmotor
zugeführt. Die Turbinenbeschaufelung 4 ist in
einem derartigen Betriebsmodus vorzugsweise inaktiv.
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In
einem weiteren Betriebszustand des Radialverdichters 1,
z. B. bei kleinen Massenströmen und hohen Druckverhältnissen,
beispielsweise bei der Schubabschaltung des Verbrennungsmotors,
wird der Turbinenbeschaufelung 4 bei geöffnetem
Absperrventil 11 über den ersten Strömungspfad 10 ein Teil
der komprimierten Luft zugeführt und somit der Druck im
Abström bereich 8 der Verdichterbeschaufelung 3 reduziert.
Die aus dem Abströmbereich 8 abgeführte
und dem Abströmbereich 9 der Turbinenbeschaufelung 4 zugeführte
Luftmenge kann dabei durch eine Motorsteuerung je nach dem Betriebszustand
des Verbrennungsmotors beliebig über das Absperrventil 11 geregelt
werden. Die Turbinenbeschaufelung 4 expandiert nun die
ihr zugeführte Luft, wobei Energie auf das Verdichterrad 2 zurück übertragen
wird. Dabei ist die Turbinenbeschaufelung 4 derart gestaltet,
dass auf das Verdichterrad 2 Rotationsenergie übertragen
wird. Es wird somit die Enthalpie der komprimierten Luft, welche
der Turbinenbeschaufelung 4 zugeführt wird, genutzt
und dem Verdichterrad 2 in Form von Rotationsenergie wieder
zugeführt.
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Die
Turbinenbeschaufelung 4 kann z. B. je nach Anwendung und
gewünschtem Betriebskennlinienfeld auch relativ klein dimensioniert
werden, um lediglich den maximalen zurückzuführenden
Luftmassenstrom aufzunehmen.
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2 zeigt
eine schematische Teilansicht eines Schnittes durch eine bevorzugte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radialverdichters
gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Im
Unterschied zu der in 1 beschriebenen Ausgestaltung
ist hier ein zweiter Strömungspfad 13 vorgesehen,
welcher einen Abströmbereich der Turbinenbeschaufelung 4 mit
dem Anströmbereich 7 der Verdichterbeschaufelung 3 verbindet.
Der zweite Strömungspfad 13 ist als Rohrleitungsabschnitt
im Verdichtergehäuse 5 vorgesehen. Im zweiten
Strömungspfad 13 kann ein steuerbares Absperrventil 22 zur
Steuerung der zum Anströmbereich 7 der Verdichterbeschaufelung 3 zurückgeführten
expandierten Luft angeordnet sein. Dieses Absperrventil 22 ist z.
B. als Kolben- oder Membranventil ausgebildet.
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Nachfolgend
wird die Funktion des in 2 dargestellten Radialverdichters 1 erläutert:
Über
den zweiten Strömungspfad 13 wird die von der Turbinenbeschaufelung 4 expandierte
Luft wieder dem Anströmbereich 7 der Verdichterbeschaufelung 3 zugeführt.
Die Luft kann somit im Kreis gefördert werden und verlässt
den Ansaugtrakt des Motors nicht. Eine bereits von einem Luftmassenmesser
des Verbrennungsmotors erfasste und damit von der Motorsteuerung
registrierte Luftmenge muss somit nicht um einen etwaigen Luftmengenverlust
korrigiert werden. Dies vereinfacht die Motorsteuerung signifikant.
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Mit
dem Absperrventil 22 im zweiten Strömungspfad 13 kann
im Bereich der Turbinenbeschaufelung 4 ein statischer Luftdruck
aufrechterhalten werden, welcher einen Axialschub auf das Verdichterrad 2 bewirkt,
der gegen die Anströmrichtung der Frischluft auf die Verdichterbeschaufelung 3 wirkt.
Dadurch werden Axiallager einer Turboladerwellenanordnung des Radialverdichters 1 entlastet, was
deren Lebensdauer erhöht.
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3 zeigt
eine schematische Teilansicht eines Schnittes durch eine weitere
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Radialverdichters gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Im
Unterschied zu der in 1 beschriebenen Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung ist hier ein dritter Strömungspfad 23 mit
einem steuerbaren Abblasventil 12 vorgesehen. Der dritte
Strömungspfad 23 ist z. B. als Rohrleitungsabschnitt
im Verdichtergehäuse 5 vorgesehen, welcher den
Bereich der Turbinenbeschaufelung 4 mit der Umgebung verbindet.
Das steuerbare Abblasventil 12 ist beispielsweise als Kolben-,
Membran- oder Schieberventil ausgebildet. Weiterhin kann in dem
dritten Strömungspfad 23 eine Filtereinrichtung 24 vorgesehen
sein.
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Nachfolgend
wird die Funktion des in 3 dargestellten Radialverdichters 1 erläutert:
Das
Abblasventil 12 ermöglicht es, die von der Turbinenbeschaufelung 4 expandierte
Luft aus dem Bereich der Turbinenbeschaufelung 4 in die
Umgebung abzublasen. Dadurch wird eine sehr einfache Konstruktion
realisiert. Im Unterschied zu der in 2 beschriebenen
Ausführungsform muss dadurch die Luft nicht um den Abströmbereich 8 der
Verdichterbeschaufelung 3 herumgeführt werden.
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Die
in 3 dargestellte Anordnung ist bevorzugterweise
bei druckgesteuerten Verbrennungsmotoren einsetzbar. Die Filtereinrichtung 24 befreit die
abgeblasene Luft beispielsweise von Ölrückständen.
Durch das Absperrventil 12 wird im Bereich der Turbinenbeschaufelung 4 ein
Luftdruck aufrecht erhalten, welcher gegen den aus dem Luftdruck
der auf die Verdichterbeschaufelung 3 strömenden
Frischluft resultierenden Axialschub wirkt. Somit werden die Axiallager
einer Turboladerwelle des Radialverdichters 1 entlastet.
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Das
Abblasventil 12 erfolgt z. B. druckgesteuert oder elektronisch
gesteuert. Die Ansteuerung des Abblasventils 12 erfolgt
bevorzugt durch die elektronische Motorsteuerung. Es kann jedoch
auch eine dezentrale Steuerung vorgesehen sein, welche das Abblasventil 12 je
nach anliegendem Luftdruck öffnet und schließt.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 19 mit
einem Turbolader 21 mit einem erfindungsgemäßen
Radialverdichter 1. Der Verbrennungsmotor 19 mit
vier schematisch dargestellten Zylindern wird über einen
Ansaugtrakt 18 mit Luft versorgt. Ein Abgaskrümmer 20 führt
die Abgase vom Motor 19 weg und einem in einem Turbinengehäuse 14 angeordneten
Turbinenrad 15 des Turboladers 21 zu. Das Turbinenrad 15 ist über
eine Turboladerwelle 16, welche in einer Lageranordnung 17 drehbar
gelagert ist, drehfest mit dem Verdichterrad 2 verbunden.
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Nachfolgend
wird die Funktion des in 4 dargestellten Verbrennungsmotors 19 mit
einem Turbolader 21 erläutert:
Im Betrieb
des Verbrennungsmotors 19 treiben die Abgase das Verdichterrad 15 an,
welches über die Turboladerwelle 16 das Verdichterrad 2 in
Rotation versetzt. Dem Verdichterrad 2 zugeführte
Frischluft wird durch die in 4 nicht
mit einem Bezugszeichen versehene Verdichterbeschaufelung 3 des
Verdichterrades 2 komprimiert und anschließend
dem Verbrennungsmotor 19 über den Ansaugtrakt 18 zugeführt.
Wird der Druck im Ansaugtrakt 18 zu hoch, beispielsweise
bei einer geschlossenen Drosselklappe des Motors 19, wird über
eine Steuereinrichtung, welche beispielsweise ein Teil der Motorsteuerung sein
kann, das Absperrventil 11 im ersten Strömungspfad 10 geöffnet
und so Luft der in 4 nicht mit einem Bezugszeichen
versehenen Turbinenbeschaufelung 4 des Verdichterrades 2 zugeführt.
Die Turbinenbeschaufelung 4 ist wie bereits zuvor ausgeführt, derart
gestaltet, dass beim Entspannen der komprimierten Luft Rotationsenergie
auf das Verdichterrad 2 übertragen wird. Die Enthalpie
der komprimierten Luft, welche der Turbinenbeschaufelung 4 zugeführt wird,
geht somit nicht verloren, sondern wird wieder dem Verdichterrad 2 bzw.
der Tur boladerwelle 16 zugeführt. Erfindungsgemäß ist
es somit möglich, sowohl das Verdichterpumpen zuverlässig
zu verhindern, als auch die Enthalpie der Luft, welche der Turbinenbeschaufelung 4 zugeführt
wird, in effektiver Weise zu nutzen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere können
einzelne Merkmale der oben aufgeführten Ausführungsbeispiele – sofern
dies sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert werden.
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In
einer bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung kann die
von der Turbinenbeschaufelung 4 expandierte Luft auch ohne
jegliche Steuerung, d. h. ohne ein Abblasventil 12, in
die Umgebung abgeblasen werden. Dadurch wird eine einfache, kostengünstige
und Gewicht sparende Konstruktion realisiert.
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In
einer weiteren ebenso bevorzugten Modifikation der vorliegenden
Erfindung sind der Bereich des Verdichterrades 2 mit der
Turbinenbeschaufelung 4 und/oder der Bereich des Verdichterrades 2 mit
der Verdichterbeschaufelung 3 von dem Verdichterrad 2 trennbar
ausgebildet. Hierdurch ist beispielsweise ein einfacher Austausch
der Beschaufelung auch im Nachhinein möglich. Weiterhin
können so die Beschaufelungen getrennt von dem Verdichterrad 2 gefertigt
werden, was vorteilhaft bei der Fertigung oder der Montage des Radialverdichters 1 sein kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Modifikation der vorliegenden Erfindung
sind die Turbinenbeschaufelung 4 und/oder die Verdichterbeschaufelung 3 aus
einem anderen Werkstoff gebildet als das Verdichterrad 2.
So kann beispielsweise die Turbinen beschaufelung 4 aus
einem leichten Keramikmaterial gebildet sein, während das
Verdichterrad 2 beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff
gebildet ist.
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Die
aufgeführten Materialien, Zahlenangaben und Dimensionen
sind beispielhaft zu verstehen und dienen lediglich der Erläuterung
der Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004041166
A1 [0002]
- - DE 102005054525 A1 [0004]
- - DE 69404630 T2 [0005]