DE102012006673B4

DE102012006673B4 - Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102012006673B4
Application number: DE102012006673.2A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Markus Müller; Michael Stiller; Paul Löffler; Elias Chebli
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-03-31
Filing date: 2012-03-31
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: DE102012006673A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (28) für einen Abgasturbolader (20), insbesondere eines Kraftwagens, mit einem einen Aufnahmeraum (56) aufweisenden Verdichtergehäuse (54), in dessen Aufnahmeraum (56) ein Verdichterrad (34) um eine Drehachse (58) relativ zum Verdichtergehäuse (54) drehbar aufgenommen ist und welches wenigstens einen Abführkanal (60) aufweist, über welchen das Verdichterrad (34) in einem Abströmbereich (62) des Verdichterrads (34) abströmende Luft von dem Verdichterrad (34) abführbar ist, wobei in dem Abströmbereich (62) eine erste Abströmkante (68) und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante (68) anschließende und mit der ersten Abströmkante (68) einen von 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante (70) des Verdichterrads (34) vorgesehen ist, wobei der Verdichter (28) zumindest ein zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung um eine Drehachse (58) relativ zu dem Verdichtergehäuse (54) drehbares Stellelement (74) einer Stelleinrichtung (75) umfasst, mittels welchem die zweite Abströmkante (70) in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante (70) in radialer Richtung überdeckt und in der Offenstellung in dem Teilbereich freigegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung von aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen sowohl für Personenkraftwagen- als auch für Nutzkraftwagen-Anwendungen werden stetig zunehmende Anforderungen an besonders breite Verdichterkennfelder gestellt. Bei vorgegebenen Nennpunkten eines solchen Verdichters, also bei Nenndurchsatz, wird auch die Pumpgrenzenlage des Verdichters maßgebend mitbestimmt. Die Drehmomentlinie mit maximal darstellbaren Werten von Motordrehmomenten der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine wird somit bis zu mittleren Motordrehzahlen durch die Pumpgrenze des Verdichters festgelegt.
Bezogen auf das Verdichterkennfeld ist links der Pumpgrenze bei relativ kleinen Durchsätzen ein stabiler Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Pumpstößen nicht realisierbar, da der Verdichter und damit der Abgasturbolader hier oft nach nur geringen Laufzeiten durch Schadensfälle versagen können. Dies resultiert aus hohen mechanischen Beanspruchungen in dem instabilen Verdichterkennfeldbereich.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind sogenannte kennfeldstabilisierende Maßnahmen bekannt, mittels welchen auf die Pumpgrenze hinsichtlich einer Verschiebung zu relativ geringen Durchsätzen eingewirkt wird. Dadurch sind das Anfahrmoment sowie das Beschleunigungsmoment und das maximal ermöglichbare Motormoment der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu einem Verdichter ohne eine solche kennfeldstabilisierende Maßnahme hin zu deutlich höheren Werten verschiebbar.
Eine kennfeldstabilisierende Maßnahme ist aus der DE 198 23 274 C1 bekannt. Dort ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine offenbart, der eine Turbine und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad mit Laufradschaufeln in einem Verdichter-Strömungskanal auf. Der Verdichter umfasst einen Bypass zum Verdichterrad, der über mindestens eine Strömungsöffnung mit dem Verdichter-Strömungskanal kommuniziert. Dabei ist eine erste Strömungsöffnung des Bypass im Verdichter-Strömungskanal stromauf der Verdichterrad-Eintrittskante angeordnet. Fernern ist ein zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbares Verschlusselement im Bypass zur variablen Einstellung des wirksamen Strömungsquerschnitts des Bypass vorgesehen. Das Verschlusselement ist dabei als verstellbares Leitgitter ausgebildet.
Die DE 196 47 605 C2 offenbart einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit Turbine und Verdichter, mit über das vom Abgas beaufschlagte Turbinenrad angetriebenem, im Verdichtergehäuse liegendem, beschaufeltem Verdichterrad, das mit seinem axialen Einlauf im Bereich eines axialen Ansaugkanals liegt, in dem stromauf zum Verdichterrad eine radiale Eintrittsnut, stromab zur Eintrittskante des Verdichterrads und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf eine radiale Konturnut, und die beiden Nuten axial verbindend eine Ringkammer vorgesehen ist, die gegen den Ansaugkanal durch einen Teil der Kanalwand bildenden Ringsteg abgegrenzt ist. Dabei ist vorgesehen, dass zumindest eine der beiden radialen Nuten in ihrer Breite variabel ist.
Die DE 41 33 736 C2 offenbart einen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen mit Turbine und Verdichter, mit über das vom Abgas beaufschlagtem Turbinenrad angetriebenem, im Verdichtergehäuse liegenden, beschaufelten Verdichterrad, dessen Abströmöffnung über eine Bremseinrichtung in Form eines Verdichterleitrades in seinem radialen Abströmbereich über die vollständige in axialer Richtung liegende Abströmkante stromab des Verdichterrades versperrt werden kann.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige sowie anderweitige kennfeldstabilisierende Maßnahmen zur Verbreiterung des Verdichterkennfelds zukünftige Anforderungen an Aufladungen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Ottomotoren, unter Umständen nicht mehr erfüllen können.
Darüber hinaus sind aus dem allgemeinen Stand der Technik sogenannte zweistufige Aufladeeinrichtungen zum Aufladen von Verbrennungskraftmaschinen bekannt, welche jeweils einen Hochdruck-Verdichter und einen seriell zu diesem gestalteten Niederdruck-Verdichter umfassen. Dabei bestimmt der Hochdruck-Verdichter den Luftdurchsatz, wodurch komplexe Umgehungseinrichtungen des Hochdruck-Verdichters zu realisieren sind, die jedoch in Umschaltphasen zwischen einem Betrieb mit nur einem der Verdichter und einem Betrieb mit beiden Verdichtern zu unakzeptablen mechanischen und strömungsseitig unstetigen Verläufen wichtiger motorischer Parameter führen. Die Funktionalität wie auch das Fahrverhalten einer solchen zweistufigen Aufladeeinrichtung ist somit mit Störgrößen versehen, die in vielen Fällen zu einer geringen Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine beitragen und einen erhöhten Reparaturaufwand mit sich ziehen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer verbesserten und wirkungsgradgünstigen Betreibbarkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst ein Verdichtergehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist ein Verdichterrad des Verdichters um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen. Das Verdichtergehäuse weist ferner wenigstens einen Abführkanal auf, über welchen das Verdichterrad in einem Abströmbereich des Verdichterrads abströmende Luft von dem Verdichterrad abführbar ist. Mit anderen Worten strömt die mittels des Verdichterrads verdichtete Luft in dem Abströmbereich von dem Verdichterrad ab und in den Abführkanal ein.
Erfindungsgemäß sind in dem Abströmbereich eine erste Abströmkante und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante anschließende und mit der ersten Abströmkante einen von 180° unterschiedlichen Winkel einschließende, zweite Abströmkante des Verdichterrads vorgesehen.
Des Weiteren umfasst der Verdichter wenigstens ein Stellelement einer Stelleinrichtung, welches zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar ist. Mittels des Stellelements ist die zweite Abströmkante in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante in radialer Richtung überdeckt. In der Offenstellung des Stellelements ist die zweite Abströmkante in dem Teilbereich freigegeben. Dies bedeutet, dass die Luft das Verdichterrad in der Schließstellung des Stellelements in dem Teilbereich nicht abströmen kann. Befindet sich das Stellelement in seiner Offenstellung, so kann die verdichtete Luft das Verdichterrad auch in dem Teilbereich abströmen.
Durch das Stellelement ist eine Radaustrittsvariabilität dargestellt, mittels welcher im Zusammenspiel mit der entsprechenden Ausgestaltung des Verdichterrads im Abströmbereich eine besonders große Durchsatzspreizung des erfindungsgemäßen Verdichters ermöglicht ist. Dieser weist somit ein besonders breites Kennfeld auf, woraus ein besonders vorteilhafter Betrieb des erfindungsgemäßen Verdichters resultiert.
So kann eine Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Verdichter sowohl bei hohen Drehzahlen und hohen Abgasmassenströmen wie auch bei demgegenüber besonders geringen Drehzahlen und geringen Abgasmassenströmen, beispielsweise beim Anfahren, beim Beschleunigen oder dergleichen, besonders hohe Drehmomente und hohe Leistungen bereitstellen und weist ein besonders vorteilhaftes Fahrverhalten auf. Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Verdichters möglich, die eingangs geschilderte Umgehung des Verdichters durch die Luft zu vermeiden oder in geringen Grenzen zu halten, so dass die geschilderten, das Fahrverhalten negativ beeinflussenden Effekte vermeidbar sind.
Die Drehbarkeit des Stellelements ist dabei insofern vorteilhaft, als Strömungsverluste beim Öffnen der zweiten Abströmkante, d. h. beim Verstellen des Stellelements aus seiner Schließstellung in seine Offenstellung, gering gehalten oder vermieden werden können, insbesondere gegenüber einem Verstellen des Stellelements zwischen seiner Offenstellung und seiner Schließstellung durch translatorisches Verschieben des Stellelements relativ zu dem Verdichtergehäuse. Infolge der Drehbarkeit des Stellelements weist der erfindungsgemäße Verdichter einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, so dass die Luft effizient verdichtet werden kann. Dies führt zu einem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, woraus ein geringer Kraftstoffverbrauch sowie geringe CO₂-Emissionen resultieren. Ein weiterer Vorteil der Drehbarkeit ist, dass die Drehung des Stellelements auf relativ einfache Weise, d. h. mit einer nur relativ unkomplexen Verstellmechanik realisierbar ist. Daraus resultiert eine hohe Robustheit der Stelleinrichtung, so dass die Stelleinrichtung und damit der Verdichter eine sehr hohe Funktionserfüllungssicherheit aufweisen.
Es hat sich gezeigt, dass bei der Realisierung des Freigebens und des Abdeckens der zweiten Abströmkante mittels eines in axialer Richtung translatorisch relativ zum Verdichtergehäuse verschiebbaren Stellelements der Nachteil auftreten kann, dass sich bei zunehmender Öffnung bzw. bei zunehmendem Freigeben der Abströmkante ungünstige und ungewünschte Zwickelvolumina ergeben können, in denen durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Luft verlustreiche Wirbelsysteme angefächert werden, die den Verdichterwirkungsgrad beeinträchtigen. Diese, den Verdichterwirkungsgrad beeinträchtigenden Effekte sind bei dem erfindungsgemäßen Verdichter vermeidbar bzw. vermieden, da das Stellelement mittels Drehen um seine Drehachse zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung verstellt wird.
Mittels des Stellelements ist es möglich, einen Radaustrittsströmungsquerschnitt, über welchen die Luft von dem Verdichterrad abgeführt wird, variabel einzustellen und somit den Verdichterdurchsatz sowie die Kennfeldbreite maßgeblich in weiten Grenzen zu beeinflussen.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Verdichter insbesondere aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung der Abströmkanten in dem Abströmbereich sehr günstige aerodynamische Eigenschaften auf, welche zu günstigen Strömungsverhältnissen der das Verdichterrad abströmenden Luft führt. Dadurch kann der erfindungsgemäße Verdichter die Luft effizient verdichten, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie zu geringen CO₂-Emissionen der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine führt.
Die Verbrennungskraftmaschine kann dabei als Dieselmotor, Ottomotor, Diesottomotor oder anderweitige Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Verdichter ist insbesondere bei einem Ottomotor vorteilhaft, da dieser eine besonders hohe Durchsatzspreizung aufweist. Der erfindungsgemäße Verdichter kann bei Personenkraftwagen- wie auch bei Nutzkraftwagen-Anwendungen verwendet werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung fällt die Drehachse, um welche das Verdichterrad drehbar ist, mit der Drehachse, um welche das Stellelement drehbar ist, zusammen. Mit anderen Worten ist die Drehachse des Verdichterrads auch die Drehachse des Stellelements. Dadurch weist der erfindungsgemäße Verdichter einen nur geringen Bauraumbedarf auf, wodurch Package-Probleme vermieden und/oder gelöst werden können. Darüber hinaus ist dadurch die Bewegbarkeit bzw. der Bewegungsablauf des Stellelements besonders platzsparend realisiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Stellelement ein um die entsprechende Drehachse drehbarer und sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang erstreckender, erster Ring, welcher in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, erste Durchgangsöffnungen aufweist. Zwischen den ersten Durchgangsöffnungen sind jeweilige, erste Wandungen des ersten Rings angeordnet. Die ersten Durchgangsöffnungen sind dabei von der verdichteten Luft durchströmbar.
Die Stelleinrichtung umfasst einen dem ersten Ring zugeordneten, zweiten Ring, welcher sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang erstreckt und welcher relativ zum Verdichtergehäuse fest, d. h. unbewegbar ist. Der zweite Ring weist in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, zweite Durchgangsöffnungen auf, durch welche die verdichtete Luft strömen kann. Zwischen den zweiten Durchgangsöffnungen sind jeweilige, zweite Wandungen des zweiten Rings angeordnet. Mittels der Ringe kann die zweite Abströmkante durch Drehen des ersten Rings relativ zum zweiten Ring abgedeckt und freigegeben und entsprechend variabel eingestellt werden.
Befinden sich die ersten Durchgangsöffnungen des ersten Rings in Überdeckung mit den zweiten Durchgangsöffnungen des zweiten Rings, so ist die zweite Abströmkante maximal freigegeben. Befinden sich die ersten Wandungen in Überdeckung mit den zweiten Durchgangsöffnungen, so sind die zweiten Durchgangsöffnungen fluidisch versperrt. Dabei befinden sich die zweiten Wandungen in Überdeckung mit den ersten Durchgangsöffnungen, so dass auch die ersten Durchgangsöffnungen fluidisch versperrt sind. Dabei ist die zweite Abströmkante zumindest in dem Teilbereich überdeckt und fluidisch versperrt.
Vorzugsweise ist der erste Ring in eine Vielzahl von Relativstellungen zum zweiten Ring drehbar, so dass die Durchgangsöffnungen der Ringe in dieser Vielzahl von Relativstellungen unterschiedlich stark freigegeben bzw. fluidisch versperrt sind. Vorzugsweise ist der erste Ring zumindest im Wesentlichen kontinuierlich bzw. stufenlos relativ zum zweiten Ring verstellbar, so dass die Durchgangsöffnungen und damit die zweite Abströmkante besonders variabel fluidisch versperrbar und fluidisch freigebbar sind und somit auf eine besonders hohe Anzahl an unterschiedlichen Betriebspunkten des Verdichters bzw. der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine angepasst werden können.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Abdeckbarkeit bzw. Freigebbarkeit der zweiten Abströmkante auf besonders einfache, bauraum- und kostengünstige Weise realisiert ist. Somit weist der erfindungsgemäße Verdichter eine hohe Robustheit und somit eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auf.
Der erfindungsgemäße Verdichter weist einen besonders effizienten Betrieb und somit einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, wenn mittels der ersten Wandungen des ersten Rings jeweilige, sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Verdichterrad nach außen weg erstreckende Strömungskanäle zum Führen der verdichteten Luft begrenzt sind. Dadurch kann die verdichtete Luft besonders strömungsgünstig von dem Verdichterrad abgeführt werden.
Sind die Strömungskanäle in Umfangsrichtung zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet, so kann die verdichtete Luft besonders strömungsgünstig vom Verdichterrad abgeführt werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb und dem hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters zugute.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Verhältnis aus einer in radialer Richtung verlaufenden Wanddicke der ersten Wandungen des ersten Rings und dem Außendurchmesser des Verdichterrads, insbesondere bezogen auf die erste Abströmkante, kleiner als 1% (0,01). Dadurch können Strömungsverluste insbesondere in der Schließstellung des Stellelements besonders gering gehalten werden, was dem effizienten Betrieb des erfindungsgemäßen Verdichters zugutekommt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung schließt sich in radialer Richtung nach außen hin an die erste Abströmkante und/oder an die zweite Abströmkante ein Diffusor, insbesondere ein jeweiliger Diffusor, an. Der Diffusor kann dabei als Carnot-Diffusor ausgebildet sein. Der Diffusor wirkt sich vorteilhaft auf die Strömung der Luft von dem Verdichterrad durch den Abführkanal aus.
Zur Darstellung eines jeweiligen Diffusors für die Abströmkanten ist beispielsweise eine Zwischenwandung des Verdichters, insbesondere des Verdichtergehäuses, vorgesehen, welche in radialer Richtung des Verdichters zwischen den Abströmkanten angeordnet ist und somit den jeweiligen Diffusor der Abströmkanten unterteilt bzw. begrenzt.
Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Diffusoreffekts, insbesondere in der Schließstellung des Stellelements, verläuft die Zwischenwandung vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung, d. h. zumindest im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Diffusor in axialer Richtung des Verdichters von zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Diffusorwandungen des Verdichters, insbesondere des Verdichtergehäuses, begrenzt, wobei der in axialer Richtung verlaufende Abstand der Diffusorwandungen in radialer Richtung nach außen hin abnehmend ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Diffusor bezogen auf die axiale Richtung zumindest im Wesentlichen konusförmig ausgebildet. Dadurch sind besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen für die Luft geschaffen, was dem effizienten Betrieb und damit dem hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verdichters zugutekommt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die erste Abströmkante zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, d. h. zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung. Die zweite Abströmkante erstreckt sich dabei schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung. Dadurch weist der Verdichter besonders vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften auf, was zu einem effizienten Betrieb des Verdichters beiträgt. Vorzugsweise ist der Winkel zwischen den Abströmkanten weniger als 180° und mehr als 90°. Dadurch sind sehr günstige Abströmbedingungen geschaffen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Abströmkanten gerade ausgebildet. Dies führt einerseits zu sehr guten aerodynamischen Eigenschaften des Verdichters. Andererseits ist das Verdichterrad dadurch zeit- und kostengünstig herstellbar, was zu geringen Kosten des erfindungsgemäßen Verdichters führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Stellelement einen der zweiten Abströmkante zugeordneten Stellelementwandungsbereich auf, mittels welchem die zweite Abströmkante in der Schließstellung in dem Teilbereich überdeckt ist. Der Stellelementwandungsbereich weist dabei eine zu einer Außenkontur der zweiten Abströmkante zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur auf. Somit kann die zweite Abströmkante in der Schließstellung effizient und effektiv abgedeckt werden, wodurch Sekundärströmungen und damit einhergehende Strömungsverluste vermieden oder sehr gering gehalten werden können.
Verläuft die zweite Abströmkante beispielsweise schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung und weist somit einen zumindest im Wesentlichen konusförmigen Verlauf auf, so weist vorzugsweise auch der Stellelementwandungsbereich einen damit korrespondierenden, zumindest im Wesentlichen konusförmigen Verlauf auf, insbesondere bezogen auf die radiale Richtung des Verdichters. Ist die zweite Abströmkante dabei gerade, so ist vorzugsweise auch der Stellelementwandungsbereich zumindest im Wesentlichen gerade. Dies bedeutet, dass der Stellelementwandungsbereich und die zweite Abströmkante zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten 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 Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipdarstellung einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, welcher einen Verdichter aufweist, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft versorgbar ist, wobei in einem Radaustrittsbereich stromab eines Verdichterrads des Verdichters ein Stellelement vorgesehen ist, mittels welchem eine Radaustrittsfläche variabel einstellbar ist;
2 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen dem Reaktionsgrad des Verdichters gemäß 1 und dem Quotienten aus der Radaustrittsfläche in einer Radeintrittsfläche stromauf des Verdichterrads;
3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform des Verdichters gemäß 1;
4 ausschnittsweise eine schematische Querschnittansicht des Verdichters gemäß 3 entlang der in 3 gezeigten Schnittlinie A-B;
5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdichters gemäß 3 und 4;
6 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht des Verdichters gemäß 5 entlang der in 5 gezeigten Schnittlinie A-B;
7 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdichters gemäß 5 und 6; und
8 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht des Verdichters gemäß 7 entlang der in 7 gezeigten Schnittlinie A-B.
1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, welche als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und vorliegend sechs Zylinder 12 umfasst. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Kurbelwelle 14, über welche ein von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestelltes Motormoment abführbar ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Abgastrakt 16, in welchem eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 20 angeordnet ist. Mittels einer Abgasverrohrung des Abgastrakts 16 ist Abgas von den Zylindern 12 zur Turbine 18 leitbar. Die Turbine 18 umfasst ein Turbinenrad 22, welches von dem Abgas antreibbar ist. Das Abgas strömt das Turbinenrad 22 mit einem Druck und einer Temperatur an und wird mittels des Turbinenrads 22 entspannt. Anschließend strömt das Abgas zu einer stromab der Turbine 18 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung 24, mittels welcher das Abgas gereinigt wird. Anschließend strömt das Abgas an die Umgebung.
Die Turbine 18 umfasst eine variable Turbinengeometrie 26. Mittels der variablen Turbinengeometrie 26 kann die Turbine 18 an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Massen- bzw. Volumenströme des Abgases bedarfsgerecht angepasst werden. Dies führt zu einem effizienten Betrieb der Turbine 18, was einem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zugutekommt.
Der Abgasturbolader 20 umfasst auch einen Verdichter 28, welcher in einem Ansaugtrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. über den Ansaugtrakt 30 wird der Verbrennungskraftmaschine 10 Luft zugeführt. Stromauf des Verdichters 28 ist ein Luftfilter 32 im Ansaugtrakt 30 angeordnet, mittels welchem die Luft gereinigt wird. Stromab des Luftfilters 32 strömt die Luft zu einem Verdichterrad 34 des Verdichters 28, mittels welchem die Luft verdichtet wird. Zum Antreiben des Verdichterrads 34 ist dieses mit einer Welle 37 des Abgasturboladers 20 drehfest verbunden. Mit der Welle 37 ist auch das Turbinenrad 22 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad 34 über die Welle 37 von dem Turbinenrad 22 angetrieben werden kann.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Zur Darstellung eines besonderes hohen Aufladegrads ist im Ansaugtrakt 30 stromab des Verdichters 28 ein Ladeluftkühler 36 angeordnet, mittels welchem die verdichtete Luft und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
Stromab des Ladeluftkühlers 36 ist im Ansaugtrakt 30 eine Drosselklappe 38 angeordnet, mittels welcher die in die Zylinder 12 einströmende Luftmasse einstellbar ist. Dadurch kann das von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitzustellende Motormoment eingestellt werden. Der Ansaugtrakt 30 umfasst ferner einen Ladeluftverteiler 40, mittels welchem die verdichtete Luft auf die Zylinder 12 aufgeteilt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Abgasrückführeinrichtung 42 mit einer Abgasrückführleitung 44 auf. Die Abgasrückführleitung 44 ist an einer Abzweigstelle 50 mit dem Abgastrakt 16 fluidisch verbunden. Die Abgasrückführleitung 44 ist ferner an einer Einleitstelle 52 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 30 verbunden. So kann Abgas an der Abzweigstelle 50 aus dem Abgastrakt 16 abgezweigt, zum Ansaugtrakt 30 rückgeführt und an der Einleitstelle 52 in den Ansaugtrakt 30 eingeleitet werden.
An der Einleitstelle 52 vermischt sich das Abgas mit der Luft und strömt mit der Luft in die Zylinder 12 ein. Dort nimmt das Abgas an Verbrennungsvorgängen teil und wirkt als Inertgas, wodurch sich Stickoxid-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering halten lassen.
Die Abgasrückführeinrichtung 42 umfasst auch ein Abgasrückführventil 46, welches zur Einstellung der Masse bzw. der Menge des rückzuführenden Abgases dient. Ferner ist ein Abgasrückführkühler 48 der Abgasrückführeinrichtung 42 vorgesehen, welcher zur Kühlung des rückgeführten Abgases dient.
Wie in Zusammenschau mit 3 bis 8 erkennbar ist, umfasst der Verdichter 28 ein Verdichtergehäuse 54, welches einen Aufnahmeraum 56 aufweist. In dem Aufnahmeraum 56 ist das Verdichterrad 34 um eine erste Drehachse 58 relativ zum Verdichtergehäuse 54 drehbar aufgenommen. Das Verdichtergehäuse 54 weist einen Abführkanal 60 auf, über welchen das Verdichterrad 34 abströmende Luft von dem Verdichterrad 34 abgeführt wird. Der Abführkanal 60 ist fluidisch mit einem Spiralkanal 55 des Verdichtergehäuses 54 verbunden, so dass die den Abführkanal 60 durchströmende Luft in den Spiralkanal 55 abströmen kann.
Das Verdichterrad 34 wird dabei in einem Abströmbereich 62 einer jeweiligen Laufradschaufel 64 des Verdichterrads 34 von der Luft abgeströmt. Das Verdichterrad 34 umfasst eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 64, welche mit einer Laufradnabe 66 des Verdichterrads 34 verbunden sind. Die Laufradschaufeln 64 sind in Umfangsrichtung der Laufradnabe 66 über deren Umfang angeordnet. Die Laufradschaufeln 64 umfassen einen jeweiligen Abströmbereich 62.
In dem jeweiligen Abströmbereich 62 ist eine erste Abströmkante 68 sowie eine sich in axialer Richtung an die erste Abströmkante 68 anschließende und mit der ersten Abströmkante 68 einen von 180° unterschiedlichen Winkel einschließende, zweite Abströmkante 70 der jeweiligen Laufradschaufel 64 vorgesehen. Die Abströmkanten 68, 70 sind vorliegend in der Meridionalebene gesehen jeweils zumindest im Wesentlichen gerade bzw. eben ausgebildet und schließen einen Winkel miteinander ein, welcher > 90° und < 180° ist. Ferner verläuft die erste Abströmkante 68 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, während die zweite Abströmkante 70 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verläuft.
Mittels der ersten Abströmkante 68 ist eine erste Radaustrittsfläche A2_FG bereitgestellt, über welche die Luft von dem Verdichterrad abströmt. Mittels der zweiten Abströmkante 70 ist eine zweite Radaustrittsfläche A2_Vario bereitgestellt, über welche das Verdichterrad 34 von der Luft abgeströmt werden kann. Zusammengefasst wird das Verdichterrad 34 über eine Gesamtradaustrittsfläche A2 von der Luft abgeströmt.
Angeströmt wird das Verdichterrad 34 über eine Anströmkante 72, welche eine Radeintrittsfläche A1, über die das Verdichterrad 34 von der Luft angeströmt wird, bereitstellt. Die Radeintrittsfläche A1 wird auch als Radeintrittsquerschnitt bezeichnet, während die Gesamtradaustrittsfläche A2 auch als Radaustrittsquerschnitt bezeichnet wird.
Der Verdichter 28 umfasst ein Stellelement 74 einer Stelleinrichtung 75, welches relativ zum Verdichtergehäuse 54 um die Drehachse 58, um welche das Verdichterrad 34 drehbar ist, drehbar ist. Das Stellelement 74 ist somit eine Drehvorrichtung, welche zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. In der Offenstellung ist die zweite Abströmkante 70 vollständig freigegeben, so dass über sie das Verdichterrad 34 von der Luft abgeströmt werden kann. In der Schließstellung ist die zweite Abströmkante 70 bezogen auf die radiale Richtung des Verdichters 28 mittels des Stellelements 74 nach außen hin überdeckt und so fluidisch zumindest im Wesentlichen versperrt, so dass die Luft nicht mehr über die zweite Abströmkante 70 das Verdichterrad 34 abströmen kann.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Regelungseinrichtung 25, beispielsweise ein Steuergerät, mittels welcher die Drosselklappe 38, die variable Turbinengeometrie 26 sowie das Stellelement 74 geregelt werden.
Daraus ist es ersichtlich, dass mittels des Stellelements 74 der Radaustrittsquerschnitt (Gesamtradaustrittsfläche A2) variabel einstellbar ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Verhältnisse bzw. Quotienten aus dem Radaustrittsquerschnitt zu dem Radeintrittsquerschnitt. Das Stellelement 74 kann auch in eine Vielzahl von Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung und der Schließstellung eingestellt werden. Insbesondere ist das Stellelement 74 stufenweise oder vorzugsweise stufenlos zwischen der Offenstellung und der Schließstellung drehbar, so dass die zweite Radaustrittsfläche A2_Vario auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Werten eingestellt werden kann.
2 zeigt Diagramme 76a–d, auf deren Abszissen 78 der Massenstrom der Luft durch den Verdichter 28 aufgetragen ist. Auf den Ordinaten 80 der Diagramme 76a–d ist der Reaktionsgrad des Verdichters 28 dargestellt. Ausgehend von dem vierten Diagramm 76d hin zu dem ersten Diagramm 76a – wie durch einen Richtungspfeil dargestellt ist – wird das Stellelement 74 geschlossen, d. h. in Richtung seiner Schließstellung bewegt. Das erste Diagramm 76a bezieht sich dabei auf ein Verhältnis A2/A1 von 1,41. Das zweite Diagramm 76b bezieht sich auf ein Verhältnis AS/A1 von 1,34. Das dritte Diagramm 76c bezieht sich auf ein Verhältnis A2/A1 von 1,15. Das vierte Diagramm 76d bezieht sich auf ein Verhältnis A2/A1 von 0,91. Dabei ist es ersichtlich, den Radaustrittsquerschnitt in der Schließstellung des Stellelements 74 auf hohe Reaktionsgrade bzw. auf ein Verhältnis bzw. auf einen Quotienten A2/A1 mit Werten von deutlich unter 1 auszulegen und in der Offenstellung weiterhin < 1 oder = 1 oder > 1 einzustellen.
Hierdurch kann in weiten Kennfeldbereichen des Kennfelds des Verdichters 28 eine mittlere Beschleunigung der Strömung der Luft in einem jeweiligen Radkanal zwischen den jeweiligen Laufradschaufeln 64 des Verdichterrads 34 des insbesondere als Radialverdichter ausgebildeten Verdichters 28 unter Nutzung des Fliehkraftfeldes gewährleistet werden, wodurch günstige Bedingungen für die Dämpfung der Verdichterpumpneigung auch bei relativ großen Fehleinströmungen am Eintritt des Verdichterrads 34, besonders in der Schließstellung, erreicht werden können. Bei hohen Reaktionsgraden im Bereich von 0,7 und größer erhält man im Radkanal zunehmend eine vorteilhafte mittlere Beschleunigung der Strömung der Luft.
Da durch Bewegen bzw. Drehen des Stellelements 74 die zweite Abströmkante 70 beeinflusst, d. h. variiert wird, wird die zweite Abströmkante 70 auch als Variokante bezeichnet. Dementsprechend wird das Stellelement 74 als Variodrehschieber bezeichnet. Da die erste Abströmkante 68 auch in der Schließstellung des Variodrehschiebers fluidisch freigegeben ist und diesbezüglich nicht variiert werden kann, wird die erste Abströmkante 68 auch als Festgeometriekante bezeichnet. Die Variokante ist dabei zumindest im Wesentlichen kegelförmig bzw. konusförmig ausgebildet. Da die Festgeometriekante in axialer Richtung verläuft und gerade ausgebildet ist, ist sie auf einer Zylinderfläche angeordnet.
Wie insbesondere 3 und 4 zu entnehmen ist, ist das Stellelement 74 insbesondere in seinem in radialer Richtung in Überdeckung mit der zweiten Abströmkante 70 angeordneten Bereich als erster Ring ausgebildet, der sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 34 über dessen Umfang erstreckt und relativ zum Verdichtergehäuse 54 um die Drehachse 58 drehbar ist. Der erste Ring weist dabei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, erste Durchgangsöffnungen 82 auf, zwischen welchen jeweilige, erste Wandungen 84 des ersten Rings angeordnet sind. Die ersten Durchgangsöffnungen 82 können dabei von der verdichteten und vom Verdichterrad 34 abströmenden Luft durchströmt werden.
Die Stelleinrichtung 75 weist einen zweiten Ring 87 auf, welcher relativ zu dem Verdichtergehäuse 54 fest, d. h. unbewegbar ist. Der zweite Ring 87 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 34 über dessen Umfang und ist in radialer Richtung in Überdeckung mit der Variokante angeordnet. Auch der zweite Ring 87 weist in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, zweite Durchgangsöffnungen 86 auf, zwischen welchen zweite Wandungen 88 des zweiten Rings 87 angeordnet sind.
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, sind mittels der ersten Wandungen 84 des ersten Rings jeweilige, sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Verdichterrad 34 nach außen weg erstreckende Strömungskanäle 90 in Umfangsrichtung begrenzt.
In 4 befindet sich das Stellelement 74 (der erste Ring) in seiner Offenstellung, in welcher sich die ersten Durchgangsöffnungen 82 des ersten Rings in Überdeckung mit den zweiten Durchgangsöffnungen 86 des zweiten Rings 87 befinden. Dadurch ist die Variokante vollständig freigegeben und die verdichtete Luft kann das Verdichterrad 34 über die Variokante und die Durchgangsöffnungen 82, 86 abströmen.
Wird der erste Ring (Stellelement 74) aus seiner Offenstellung in Richtung seiner Schließstellung bewegt, d. h. bezogen auf die Bildebene von 4 im Uhrzeigersinn um die Drehachse 58 relativ zum Verdichtergehäuse 54 gedreht, so kommen die ersten Wandungen 84 sukzessive in Überdeckung mit den zweiten Durchgangsöffnungen 86. Ebenso kommen die zweiten Wandungen 88 des zweiten Rings 87 sukzessive in Überdeckung mit den ersten Durchgangsöffnungen 82 des Stellelements 74, so dass durch Drehen des Stellelements 74 in Richtung seiner Schließstellung die Durchgangsöffnungen 82, 86 für die verdichtete Luft sukzessive fluidisch versperrt werden. Dadurch wird die zweite Radaustrittsfläche A2_Vario sukzessive verkleinert.
Wie 3 zu entnehmen ist, sind die jeweiligen, ersten Wandungen 84 des ersten Rings bezogen auf die axiale Richtung zumindest im Wesentlichen kegelförmig bzw. konusförmig ausgebildet. Entsprechend dazu sind auch die zweiten Wandungen 88 zumindest im Wesentlichen konusförmig bzw. kegelförmig ausgebildet bzw. verlaufen in axialer Richtung von einem Verdichterradaustritt weg in radialer Richtung nach außen. Somit befindet sich die Variokante vorteilhafterweise zumindest in der Nähe einer durch den zweiten Ring 87 gebildeten Konusfläche, wodurch sich ein energetisch effektiver, mittlerer Verdichterrad-Austrittsdurchmesser beim Öffnen der Variokante und bei der damit einhergehenden, höheren Verdichterdurchsatzkapazität zu kleineren Werten hin bewegt.
Bei einigen Anwendungen mit aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen ist im oberen Motordrehzahlbereich bei relativ hohen Luftdurchsätzen eine gewisse Abnahme des Ladedrucks bzw. eine verminderte Luftzunahme von Vorteil, was durch die konische Lage der Variokante während einer Öffnungsphase umgesetzt werden kann. Zum anderen bewirkt diese Konusorientierung der Variokante in der Schließposition des Stellelements 74 eine strömungsgünstige Beschleunigung im Abströmbereich 62, was zu einem Gewinn an Betriebsbereich durch eine Pumpgrenzenverschiebung bei kleiner Durchsatzkapazität des Verdichters 28 mit guten Wirkungsgraden führt.
Mittels des Stellelements 74 und des zweiten Rings 87 ist eine Konturfläche dargestellt und variabel einstellbar, über welche die Variokante von der Luft abgeströmt werden kann. Um die Konturfläche über der Variokante insbesondere in der Schließstellung des Stellelements 74 als Verlustquelle klein zu halten, ist eine in radialer Richtung verlaufende Wanddicke s der zweiten Wandungen 88 des festen, zweiten Rings 87 mit nur geringen Werten vorteilhaft. Vorzugsweise ist ein Verhältnis s/D₂ < 1%. Wie 3 zu entnehmen ist, bezeichnet D₂ einen Radaußendurchmesser des Verdichterrads 34 bezogen auf die Festgeometriekante (erste Abströmkante 68). Ferner sind die Durchgangsöffnungen 82, 86 begrenzende Kanten der Wandungen 84, 88, welche in radialer Richtung nach innen hin dem Verdichterrad 34 zugewandt sind, strömungsgünstig abgerundet. Dadurch sind besondere günstige Strömungsbedingungen geschaffen.
Der Verdichter 28 umfasst eine Diffusorwandung 92, welche in axialer Richtung einen der Variokante zugeordneten, ersten Diffusor 94 sowie einen der Festgeometriekante zugeordneten, zweiten Diffusor 96 begrenzt. Da der erste Diffusor 94 mittels des Stellelements 74 einstellbar ist, wird der erste Diffusor 94 auch als Variodiffusor bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird der zweite Diffusor 96 auch als Festdiffusor bezeichnet. Mit anderen Worten ist der Abführkanal 60 mittels der Diffusorwandung 92 in axialer Richtung in zwei Teilabführkanäle unterteilt.
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, weist der erste Diffusor 94 eine Beschaufelung 97 mit einer Mehrzahl von Leitschaufeln 98 auf. Mittels der Leitschaufeln 98 sind zweite Strömungskanäle 100 in Umfangsrichtung begrenzt, mittels welchen die verdichtete Luft strömungsgünstig vom Verdichterrad 34 abzuführen sind.
Mit den zweiten Strömungskanälen 100 korrespondierend sind mittels der ersten Wandungen 84 die ersten Strömungskanäle 90 in Umfangsrichtung begrenzt, so dass eine besonders strömungsgünstige Führung der verdichteten Luft vom Verdichterrad 34 über die ersten Strömungskanäle 90 hin zu den zweiten Strömungskanälen 100 und weiter zum Abführkanal 60 ermöglicht ist. Mit anderen Worten ist das Stellelement 74 (Variodrehschieber) als strömungsführender Eintrittsbereich des stromab folgenden ersten Diffusors 94 ausgebildet. Der zweite Diffusor 96 ist ein Paralleldiffusor zum ersten Diffusor 94 und wird permanent durchströmt, da er hinsichtlich seiner fluidischen Öffnung nicht variabel eingestellt werden kann.
Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Wanddicke der Diffusorwandung 92 in radialer Richtung von innen nach außen hin zunehmend ausgebildet, wobei ein in axialer Richtung verlaufender Abstand zwischen der Diffusorwandung 92 und einem den zweiten Diffusor 96 in axialer Richtung begrenzenden, ersten Wandungsbereich 104 des Verdichtergehäuses 54 in radialer Richtung von innen nach außen abnehmend ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist dadurch der zweite Diffusor 96 in radialer Richtung und bezogen auf die axiale Richtung zumindest im Wesentlichen konusförmig ausgebildet.
Gleichzeitig verbleibt ein weiterer, axialer Abstand zwischen der Diffusorwandung 92 und einem den ersten Diffusor 94 in axialer Richtung begrenzenden, zweiten Wandungsbereich 106 des Verdichtergehäuses 54 in radialer Richtung konstant.
Damit die Strömung der Luft stromab der Diffusoren 94, 96 in den Spiralkanal 55 des Verdichters 28 mit einem vorteilhaften Verlustverhalten abströmen kann, ist es von Vorteil, die Diffusoren 94, 96 derart auszugestalten, dass an der Örtlichkeit, bei der die Luft aus den Diffusoren 94, 96 stromab dieser zusammenströmt, zumindest nahezu gleicher statischer Druck herrscht oder der statische Druck auf Seiten des zweiten Diffusors 96 kleinere Werte gegenüber dem ersten Diffusor 94 aufweist.
Eine Möglichkeit zur Realisierung eines zumindest nahezu gleichen statischen Drucks ist anhand 4 erkennbar, bei welcher die Diffusorwandung 92 gegenüber 3 und 4 in radialer Richtung gekürzt ist. Dadurch ist eine statische Druckgleichheit oder bei abgesenktem statischen Druck eine gewisse Elektrowirkung zum Variodiffusor hin in den betreffenden Betriebsbereichen zu erzielen.
Durch die Anstrebung der Druckgleichheit und die entsprechende Ausgestaltung der Diffusoren 94, 96 können verlustträchtige Rezirkulationen aus dem Festdiffusor in den Variodiffusor von einer Austritt des Festdiffusors in einen Eintritt des Variodiffusors, welcher stromab der Stelleinrichtung 75 liegt, bis in den Bereich der Variokante hinein vermieden werden.
Durch die konische Ausgestaltung der Diffusorwandung 92 gemäß 3 und 4 kann eine statische Druckzunahme der Strömung zum Diffusoraustritt hin gedämpft erfolgen und gegebenenfalls eine gewisse Elektrowirkung zum parallel liegenden Variodiffusor ausüben. Da über die höheren Umfangsgeschwindigkeiten der Festgeometriekante gegenüber der Variokante auch höhere Totaldrücke im Festdiffusor vorhanden sind, besteht also prinzipiell die Gefahr, dass im Festdiffusor auch die höheren statischen Drücke als Triebkraft für die erwähnte, nicht gewollte wirkungsgradschädliche Rezirkulation vorherrschen können, was die Abströmung der beiden Diffusoren 94, 96 zueinander nicht vorteilhaft macht.
Diese Abstimmung kann mittels der Beschaufelung 97 erfolgen. Gemäß 7 und 8 ist eine solche Beschaufelung 97 nicht vorgesehen. Dabei ist der erste Diffusor 94 als unbeschaufelter, freier Variodiffusor ausgebildet. Ebenso kann von einer Parallelwandigkeit und von gleichen Längen der Diffusoren 94, 96 deutlich abgewichen werden.
Gemäß 7 und 8 befindet sich das Stellelement 74 in seiner Schließstellung, so dass die Variokante völlig versperrt ist. Dabei überdecken sich die Wandungen 84, 88 in radialer Richtung zumindest bereichsweise, um Leckagen gering zu halten oder zu vermeiden. Eine definierte Strömungsführung in Umfangsrichtung erfolgt beim unbeschaufelten, freien Variodiffusor beispielsweise in den von der Schließstellung unterschiedlichen Stellungen des Variodrehschiebers über die Ringbreite des Stellelements 74, wobei stromab des Stellelements 74 ein jeweiliger Verlauf von die Diffusoren 94, 96 begrenzenden Wandungen den Strömungswinkel und den statischen Druck am Austritt der Diffusoren 94, 96 stromab des Stellelements 74 bestimmen. Hierbei kann es auch von Vorteil sein, eine beschaufelte Kanalführung des Variodrehschiebers entgegen der Darstellung in 8 für eine Zwischenbeschleunigung der Strömung stark konvergent auszulegen, damit die Strömung für die nachfolgende Diffusion im freien Variodiffusor günstige Ausgangsbedingungen vorliegen hat.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Zylinder
14: Kurbelwelle
16: Abgastrakt
18: Turbine
20: Abgasturbolader
22: Turbinenrad
24: Abgasnachbehandlungseinrichtung
25: Regelungseinrichtung
26: Variable Turbinengeometrie
28: Verdichter
30: Ansaugtrakt
32: Luftfilter
34: Verdichterrad
36: Ladeluftkühler
37: Welle
38: Drosselklappe
40: Ladeluftverteiler
42: Abgasrückführeinrichtung
44: Abgasrückführleitung
46: Abgasrückführventil
48: Abgasrückführkühler
50: Abzweigstelle
52: Einleitstelle
54: Verdichtergehäuse
55: Spiralkanal
56: Aufnahmeraum
58: Drehachse
60: Abströmbereich
64: Laufradschaufel
66: Laufradnabe
68: erste Abströmkante
70: zweite Abströmkante
72: Anströmkante
74: Stellelement
75: Stelleinrichtung
76a: erstes Diagramm
76b: zweites Diagramm
76c: drittes Diagramm
76d: viertes Diagramm
78: Abszisse
80: Ordinate
82: erste Durchgangsöffnung
84: erste Wandung
86: zweite Durchgangsöffnung
87: zweiter Ring
88: zweite Wandung
90: erster Strömungskanal
92: Diffusorwandung
94: erster Diffusor
96: zweiter Diffusor
97: Beschaufelung
98: Leitschaufel
100: zweiter Strömungskanal
104: erster Wandungsbereich
106: zweiter Wandungsbereich
D₂: Radaußendurchmesser
s: Wanddicke

Claims

Verdichter (28) für einen Abgasturbolader (20), insbesondere eines Kraftwagens, mit einem einen Aufnahmeraum (56) aufweisenden Verdichtergehäuse (54), in dessen Aufnahmeraum (56) ein Verdichterrad (34), welches Laufradschaufeln (64) aufweist, um eine Drehachse (58) relativ zum Verdichtergehäuse (54) drehbar aufgenommen ist und welches wenigstens einen Abführkanal (60) aufweist, über welchen das Verdichterrad (34) in einem Abströmbereich (62) des Verdichterrads (34) abströmende Luft von dem Verdichterrad (34) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmbereich (62) eine erste Abströmkante (68) und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante (68) in axialer Richtung anschließende und mit der ersten Abströmkante (68) einen von 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante (70) der Laufradschaufeln (64) des Verdichterrads (34) vorgesehen ist, wobei sich die erste Abströmkante (68) zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung und sich die zweite Abströmkante (70) schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung erstrecken und wobei der Verdichter (28) zumindest ein zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung um eine Drehachse (58) relativ zu dem Verdichtergehäuse (54) drehbares Stellelement (74) einer Stelleinrichtung (75) umfasst, mittels welchem die zweite Abströmkante (70) in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante (70) in radialer Richtung überdeckt und in der Offenstellung in dem Teilbereich freigegeben ist.
Verdichter (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (58), um welche das Verdichterrad (34) drehbar ist, mit der Drehachse (58), um welche das Stellelement (74) drehbar ist, zusammenfällt.
Verdichter (28) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (74) zumindest teilweise als ein um die Drehachse (58) drehbarer und sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads (34) über dessen Umfang erstreckender, erster Ring (74) ausgebildet ist, welcher in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, erste Durchgangsöffnungen (82), zwischen welchen jeweilige, erste Wandungen (84) des ersten Rings (74) angeordnet sind, aufweist, wobei die Stelleinrichtung (75) einen dem ersten Ring (74) zugeordneten, sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads (34) über dessen Umfang erstreckenden und relativ zum Verdichtergehäuse (54) festen, zweiten Ring (87) umfasst, der in Umfangsrichtung voneinander beabstandete, zweite Durchgangsöffnungen (86), zwischen welchen jeweilige, zweite Wandungen (88) des zweiten Rings (87) angeordnet sind, aufweist.
Verdichter (28) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten Wandungen (84) des ersten Rings (74) jeweilige, sich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung von dem Verdichterrad (34) nach außen weg erstreckende Strömungskanäle (90) zum Führen der verdichteten Luft begrenzt sind.
Verdichter (28) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (90) in Umfangsrichtung zumindest teilweise bogenförmig ausgebildet sind.
Verdichter (28) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (s/D₂) aus einer in radialer Richtung verlaufenden Wanddicke (s) der zweiten Wandungen (88) und dem Außendurchmesser (D₂) des Verdichterrads (34) kleiner als 1% ist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in radialer Richtung nach außen hin an die erste Abströmkante (68) und/oder an die zweite Abströmkante (70) ein Diffusor (94, 96) anschließt.
Verdichter (28) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (94, 96) in axialer Richtung des Verdichters (28) von zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Diffusorwandungen (92, 104) des Verdichters (28) begrenzt ist, wobei der in axialer Richtung verlaufende Abstand der Diffusorwandungen (92, 104) in radialer Richtung nach außen hin abnehmend ausgebildet ist.
Verdichter (28) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Abströmkanten (68, 70) kleiner als 180 Grad und größer als 90 Grad ist.