DE102013017881A1

DE102013017881A1 - Radialverdichter für einen Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102013017881A1
Application number: DE201310017881
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Elias Chebli
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-10-26
Filing date: 2013-10-26
Publication date: 2014-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter (14) für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (22) drehbaren und wenigstens eine Laufradschaufel (50) aufweisenden Verdichterrad (20), welches bei einem Betrieb des Radialverdichters (14) in axialer Richtung von mittels des Verdichterrads (20) zu verdichtender Luft anströmbar ist und die Luft in radialer Richtung umlenkt, und mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden und von der vom Verdichterrad (20) über wenigstens eine Abströmkante (54) der Laufradschaufel (50) abströmenden, verdichteten Luft durchströmbaren Axialdiffusor (58), wobei wenigstens ein Stellelement (62) vorgesehen ist, mittels welchem ein von der verdichteten Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt (S) des Axialdiffusors (58) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solcher Radialverdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine ist der DE 10 2008 051 981 A1 als bekannt zu entnehmen. Der Radialverdichter umfasst ein um eine Drehachse drehbares und wenigstens eine Laufradschaufel aufweisendes Verdichterrad, welches bei einem Betrieb des Radialverdichters in axialer Richtung von mittels des Verdichterrads zu verdichtender Luft anströmbar ist und die Luft in radialer Richtung umlenkt. Der Radialverdichter weist ferner einen sich in axialer Richtung erstreckenden und von der vom Verdichterrad über wenigstens eine Abströmkante der Laufradschaufel abströmenden verdichteten Luft durchströmbaren Axialdiffusor auf. Mit anderen Worten weist die wenigstens eine Laufradschaufel zumindest eine Abströmkante auf, über die die verdichtete Luft vom Verdichterrad abströmt. Nach dem Abströmen durchströmt die verdichtete Luft zunächst den Radialdiffusor undanschließend den Axialdiffusor.
Die DE 10 2011 120 168 A1 offenbart einen Verdichter für einen Abgasturbolader mit einem Verdichterrad und einem zumindest abschnittsweise korrespondierend zum Verdichterrad ausgeformten Verdichtergehäuse. Stromauf des Verdichterrads ist eine axial verschiebbare Verstellvorrichtung angeordnet, mittels derer Strömungsparameter an einem Verdichterradeintritt beeinflussbar sind. Dabei ist es vorgesehen, dass an einem Verdichterradaustritt eine weitere Verstellvorrichtung angeordnet ist, mittels derer Strömungsparameter an einem Verdichterradaustritt beeinflussbar sind.
Schließlich ist aus der WO 2011/141425 A1 ein Radialverdichterdiffusor für eine Radialverdichterstufe bekannt. Der Radialverdichterdiffusor umfasst einen Strömungskanalabschnitt, der radial nach außen verläuft und von mindestens einem axial verschiebbaren Wandabschnitt begrenzt ist. Durch axiales Verschieben des Wandabschnitts ist die Breite des Strömungsabschnitts einstellbar. Ferner ist ein Leitschaufelkranz mit umlaufend angeordneten Leitschaufeln vorgesehen, die in den Strömungskanalabschnitt ein- und ausfahrbar sind.
Turboaufgeladene Motoren sind mit Abgasturboladern ausgestattet, die Verdichter- und Turbinenräder mit relativ kleinen Laufraddurchmessern und somit kleinen polaren Massen-Trägheitsmomenten umfassen. Hierdurch können hohe Anfahrmomente und sehr hohe Agilitäten der Abgasturbolader und somit der zugehörigen Verbrennungskraftmaschinen realisiert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Radialverdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Durchsatzkapazitäten-Spreizung bei geringem Bauraum realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um einen Radialverdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welchem sich eine besonders hohe Durchsatzkapazitäten-Spreizung realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein von der verdichteten Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors einstellbar ist. Durch das bewegbare Stellelement ist eine Variabilität des Radialverdichters geschaffen, mittels welcher je nach Anforderung beispielsweise eines Diesel- oder eines Ottomotors die Pump- und Stopfgrenze des Kennfelds des Radialverdichters verschiebbar sind. Der erfindungsgemäße Radialverdichter kann sowohl bei Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen als auch für Nutzkraftwagen verwendet werden und ermöglicht die Darstellung besonders hoher Drehmomente und hoher Agilitäten. Gleichzeitig kann der Bauraumbedarf des Radialverdichters besonders gering gehalten werden, da sich der Axialdiffusor nicht etwa in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung erstreckt.
Mittels des Stellelements kann eine einfache und wirkungsvolle Vorrichtung geschaffen werden, mittels welcher das Betriebsverhalten des Radialverdichters insbesondere hinsichtlich der Durchsatzkapazitäten-Spreizung, dem Verdichterwirkungsgrad und der Druckerzeugung gegenüber einem reinen, nicht-variablen Radialverdichter verbessert werden kann.
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 schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgasturbolader mit einem Radialverdichter, welcher einen Axialdiffusor und wenigstens ein Stellelement umfasst, mittels welchem ein von mittels des Radialverdichters verdichteter Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors einstellbar ist, wobei der Strömungsquerschnitt des Axialdiffusors mittels des Stellelements auf den kleinstmöglichen Wert eingestellt ist;
2 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß
1, wobei mittels des Stellelements der größtmögliche Wert des Strömungsquerschnitts des Axialdiffusors eingestellt ist;
3a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Radialverdichters gemäß einer ersten Ausführungsform;
4a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Radialverdichters gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5a eine schematische Darstellung von zweifach gesplitteten Radsegmenten einer ersten Ausführungsform eines Verdichterrads des Radialverdichters in einer Kanalansicht senkrecht zu einer Drehachse des Verdichterrads;
5b eine schematische Darstellung der Radsegmente gemäß 5a in einer Ansicht längs der Drehachse;
6a eine schematische Darstellung der zweifach gesplitteten Radsegmente einer zweiten Ausführungsform des Verdichterrads in einer Kanalansicht senkrecht zur Drehachse;
6b eine schematische Darstellung der Radsegmente gemäß 6a längs der Drehachse;
7a eine schematische Darstellung der zweifach gesplitteten Radsegmente einer dritten Ausführungsform des Verdichterrads in einer Kanalansicht senkrecht zur Drehachse des Verdichterrads; und
7b eine schematische Darstellung der Radsegmente gemäß 7a in einer Ansicht längs der Drehachse.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 12 auf, über den die Verbrennungskraftmaschine 10 während ihres Betriebs Luft ansaugt. Im Ansaugtrakt 12 ist ein Verdichter 14 eines Abgasturboladers 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet. Der Verdichter 14 umfasst ein beispielsweise aus 3a erkennbares Verdichtergehäuse 18, in welchem ein Verdichterrad 20 um eine Drehachse 22 (3a) relativ zu dem Verdichtergehäuse 18 drehbar aufgenommen ist. Mittels des Verdichterrads 20 wird die der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft verdichtet.
Stromab des Verdichters 14 ist im Ansaugtrakt 12 ein Ladeluftkühler 24 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird. Stromab des Ladeluftkühlers 24 ist im Ansaugtrakt 12 eine Luftdosierungsvorrichtung vorliegend in Form einer Drosselklappe 26 angeordnet, mittels welcher eine der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Menge der Luft einstellbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Recheneinrichtung 28, welche beispielsweise ein Steuergerät der Verbrennungskraftmaschine 10 ist. Die Recheneinrichtung 28 ist mit der Drosselklappe 26 gekoppelt und dient zum Steuern oder Regeln der Drosselklappe 26.
Zum Verdichten der Luft wird Energie genutzt, die im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 enthalten ist. Das Abgas, welches aus Verbrennungsvorgängen der Luft mit Kraftstoff resultiert, wird von der Verbrennungskraftmaschine 10 über einen Abgastrakt 30 abgeführt. Im Abgastrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine Turbine 32 des Abgasturboladers 16 angeordnet. Die Turbine 32 umfasst ein in 1 und 2 nicht dargestelltes Turbinengehäuse, in welchem ein Turbinenrad 34 der Turbine 32 um die Drehachse 22 relativ zum Turbinengehäuse drehbar aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass die Drehachse des Turbinenrads 34 mit der Drehachse des Verdichterrads 20 zusammenfällt. Das Verdichterrad 20 und das Turbinenrad 34 sind mit einer Welle 36 des Abgasturboladers 16 drehfest gekoppelt. Das Abgas wird dem Turbinenrad 34 mittels des Turbinengehäuses zugeführt, so dass das Abgas das Turbinenrad 34 anströmen und dadurch antreiben kann. Infolge der drehfesten Verbindung des Verdichterrads 20 und des Turbinenrads 34 mit der Welle 36 wird das Verdichterrad 20 über die Welle 36 vom Turbinenrad 34 angetrieben. Das Abgas wird durch das Antreiben der Turbine 32 expandiert und strömt anschließend zu einer am Abgastrakt 30 angeordneten und in 1 und 2 nicht dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10.
Die Turbine 32 umfasst ein in 1 und 2 sehr schematisch dargestelltes Eintrittselement 38, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads 34 angeordneter und von dem dem Turbinenrad 34 zuzuführenden Abgas durchströmbarer und insbesondere engster Eintrittsquerschnitt einstellbar ist. Durch das Eintrittselement 38 ist somit eine sogenannte Eintrittsvariabilität geschaffen, so dass der Eintrittsquerschnitt an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Volumen- und/oder Massenströme des Abgases angepasst werden kann. Hierdurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Turbine 32 realisierbar. Zum Einstellen des Eintrittselements 38 ist dieses mit der Recheneinrichtung 28 gekoppelt, über die das Eintrittselement 38 geregelt oder gesteuert wird.
Bei dieser Eintrittsvariabilität (Eintrittselement 38) kann es sich um einen Drehschaufler oder um einen Axialschieber handeln. Alternativ dazu kann es sich um einen sogenannten Zungenschieber handeln, welcher eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Turbinenrads 34 über dessen Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnete Sperrkörper vorzugsweise in Form von Zungen umfasst, mittels welchen der Eintrittsquerschnitt sowie vorteilhafterweise ein Drall des Abgases variabel einstellbar ist. Die Zungen sind dabei um die Drehachse 22 des Turbinenrads 34 relativ zum Turbinengehäuse drehbar, wodurch der Eintrittsquerschnitt eingestellt wird. Zur Realisierung einer einfachen Betätigung der Zungen sind diese mit einem den Zungen gemeinsamen Ring gekoppelt, welcher um die Drehachse 22 des Turbinenrads 34 drehbar ist, wobei die Zungen mit dem Ring mit drehbar sind. Der Zungenschieber eignet sich besonders gut für Ottomotoren, da eine besonders hohe Durchsatzspreizung darstellbar ist.
Das Turbinenrad 34 weist einen ersten Turbinenradaustrittsbereich 40 mit einem ersten Austrittsquerschnitt A2 auf. Dabei ist das Turbinenrad 34 über den ersten Austrittsquerschnitt A2 von dem Abgas abströmbar. Mit anderen Worten strömt das Abgas das Turbinenrad 34, nachdem das Abgas das Turbinenrad 34 angetrieben hat, über den ersten Austrittsquerschnitt A2 und den ersten Turbinenradaustrittsbereich 40 ab. Die Turbine 32 ist dabei als Radialturbine ausgebildet, so dass das Abgas das Turbinenrad 34 in radialer Richtung von außen nach innen anströmt und zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung das Turbinenrad 34 abströmt.
Wie in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist, weist das Turbinenrad 34 einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich 42 mit einem zweiten Austrittsquerschnitt A2' auf. Das Abgas kann – je nach Einstellung der Turbine 32 und wie im Folgenden noch erläutert wird – das Turbinenrad 34 auch über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' und den zweiten Turbinenradaustrittsbereich 42 abströmen.
Wie aus 1 und 2 zu erkennen ist, ist der zweite Turbinenradaustrittsbereich 42 in axialer Richtung des Turbinenrads 34 dem ersten Turbinenradaustrittsbereich 40 gegenüberliegend angeordnet, wobei auch der zweite Austrittsquerschnitt A2' in axialer Richtung des Turbinenrads 34 dem ersten Austrittsquerschnitt A2 gegenüberliegend angeordnet ist. Mit anderen Worten sind der erste Turbinenradaustrittsbereich 40 und der erste Austrittsquerschnitt A2 auf einer ersten Seite des Turbinenrads 34 angeordnet, während der zweite Turbinenradaustrittsbereich 42 und der zweite Austrittsquerschnitt A2' auf einer der ersten Seite in axialer Richtung abgewandten, zweiten Seite des Turbinenrads 34 und so auf Seiten eines Laufradrückens des Turbinenrads 34 angeordnet sind.
Aus 1 und 2 ist auch ein Lagergehäuse 44 des Abgasturboladers 16 erkennbar. Ein Rotor 47 des Abgasturboladers 16, wobei der Rotor 47 das Verdichterrad 20, das Turbinenrad 34 und die Welle 36 umfasst, ist an dem Lagergehäuse 44 relativ zum Lagergehäuse 44 um die Drehachse 22 drehbar gelagert. Der zweite Austrittsquerschnitt A2' ist dabei auf Seiten des Lagergehäuses 44 angeordnet, das heißt zum Lagergehäuse 44 hin ausgerichtet.
Die Turbine 32 umfasst darüber hinaus ein in 1 und 2 sehr schematisch dargestelltes Stellelement 46, mittels welchem eine das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Um diese Menge des den zweiten Austrittsquerschnitt A2' durchströmenden Abgases, das heißt des das Turbinenrad 34 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmenden Abgases einzustellen, ist das Stellelement 46 relativ zum Turbinengehäuse in axialer Richtung translatorisch bewegbar, das heißt verschiebbar.
Gemäß 1 und 2 ist das Stellelement 46 innerhalb eines Gehäuseelements des Abgasturboladers 16 aufgenommen. Bei diesem Gehäuseelement kann es sich um das Lagergehäuse 44 oder um das Turbinengehäuse handeln. Gemäß 1 und 2 ist das Stellelement 46 innerhalb der Turbine 32 zwischen dem zweiten Austrittsquerschnitt A2' und dem Lagergehäuse 44 angeordnet.
Das Stellelement 46 ist zwischen einer in 1 gezeigten Schließstellung und wenigstens einer in 2 gezeigten Offenstellung verschiebbar. In der Schließstellung ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' fluidisch maximal versperrt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der zweite Austrittsquerschnitt A2' – bis auf etwaige Leckageströme – nicht mehr von Abgas durchströmbar ist, das heißt das Turbinenrad 34 kann in der Schließstellung nicht mehr über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abgeströmt werden. In der Offenstellung ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' gegenüber der Schließstellung freigegeben, so dass das Turbinenrad 34 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' von Abgas abgeströmt werden kann. Bei der Offenstellung handelt es sich vorzugsweise um eine Stellung des Stellelements 46, in der der zweite Austrittsquerschnitt A2' maximal freigegeben ist. Dies bedeutet, dass das Turbinenrad 34 in der Offenstellung von einer maximal einstellbaren Menge über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmbar ist. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Stellelement 46 auch in wenigstens eine Zwischenstellung zwischen der Schließstellung und der Offenstellung einstellbar ist. In der Zwischenstellung ist die Menge des Abgases, das das Turbinenrad 34 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2' abströmen kann, größer als in der Schließstellung und kleiner als in der Offenstellung. Vorzugsweise ist das Stellelement 46 in eine Mehrzahl von Zwischenstellungen zwischen der Offenstellung und der Schließstellung einstellbar.
Durch das Stellelement 46 ist somit eine Variabilität geschaffen, welche eine bedarfsgerechte Einstellung des zweiten Austrittsquerschnitts A2' ermöglicht. Mittels des bewegbaren Stellelements 46 ist der zweite Austrittsquerschnitt A2' zu dem stets freigegebenen ersten Austrittsquerschnitt A2 bedarfsgerecht zuschaltbar, so dass die Turbine 32 ein sehr hohe Schluckfähigkeit aufweist. Dies bedeutet, dass die Turbine 32 von einer besonders hohen Menge an Abgas durchströmt werden kann, so dass Abgasgegendrücke für die Verbrennungskraftmaschine 10 gering gehalten werden können. Gleichzeitig ist bei der Turbine 32 keine Abblasung des Abgases vorgesehen. Mit anderen Worten ist es nicht vorgesehen, dass das Turbinenrad 32 von Abgas umgangen wird. Durch den zuschaltbaren, das heißt fluidisch freigebbaren und abschaltbaren, das heißt fluidisch versperrbaren, zweiten Austrittsquerschnitt A2' ist es ferner möglich, das Turbinenrad 32 besonders klein und somit mit einem geringen polaren Massenträgheitsmoment auszugestalten, so dass die Turbine 32 eine sehr hohe Agilität aufweist.
Wie besonders gut in Zusammenschau mit 3a–c zu erkennen ist, wobei 3a–c den Verdichter 14 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigen, ist der Verdichter 14 als Radialverdichter ausgebildet. Dies bedeutet, dass die mittels des Verdichters 14 zu verdichtende Luft das Verdichterrad 20 in axialer Richtung anströmt und mittels des Verdichterrads 20 in radialer Richtung umgelenkt wird.
Das Verdichterrad 20 weist eine um die Drehachse 22 drehbare Nabe 48 auf, mit welcher eine Mehrzahl von Laufradschaufeln des Verdichterrads 20 verbunden sind. Von diesen Laufradschaufeln ist in 3a–c eine mit 50 bezeichnete Laufradschaufel erkennbar. Das zuvor und im Folgenden zur Laufradschaufel 50 Geschilderte trifft ohne weiteres auch auf die anderen, in 3a–c nicht erkennbaren Laufradschaufeln zu. Die Laufradschaufel 50 ist vorzugsweise mit der Nabe 48 einstückig ausgebildet und dreht sich mit dieser um die Drehachse 22 mit.
Die Laufradschaufel 50 weist wenigstens eine Anströmkante 52 sowie wenigstens eine Abströmkante 54 auf. Während des Betriebs des als Radialverdichter ausgebildeten Verdichters 14 dreht sich das Verdichterrad 20 um die Drehachse 22, wodurch es – wie in 3a–c durch einen Richtungspfeil 55 angedeutet ist – Luft in axialer Richtung ansaugt. Mit anderen Worten ist das Verdichterrad 20 beim Betrieb des Verdichters 14 über einen Verdichterradeintritt 56 in axialer Richtung von der zu verdichtenden Luft anströmbar beziehungsweise wird von der Luft in axialer Richtung angeströmt. Die mittels des Verdichterrads 20 zu verdichtende Luft strömt die Laufradschaufel 50 dabei über die Anströmkante 52 an. Die in axialer Richtung das Verdichterrad 20 anströmende Luft wird vom Verdichterrad 20 mittels dessen Laufradschaufel 50 in radialer Richtung umgelenkt. Die in radialer Richtung umgelenkte und mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft strömt über die Abströmkante 54 von der Laufradschaufel 50 beziehungsweise dem Verdichterrad 20 ab.
Der Verdichter 14 weist auch einen sich in axialer Richtung erstreckenden Axialdiffusor 58 auf. Der Axialdiffusor 58 dient dazu, die verdichtete und dadurch beschleunigte Luft zu verlangsamen. Dazu weist der Axialdiffusor 58 wenigstens einen Längenbereich 60 mit einem sich in Erstreckungsrichtung des Axialdiffusors 58 und somit in axialer Richtung erweiternden und von der verdichteten Luft durchströmbaren Querschnitt auf.
Wie aus 1 und 2 in Zusammenschau mit 3a–c erkennbar ist, umfasst der Verdichter 14 wenigstens ein Stellelement 62, mittels welchem ein von der verdichteten Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt S des Axialdiffusors 58 einstellbar ist. Mit anderen Worten kann ein Wert des engsten Strömungsquerschnitts S des Axialdiffusors 58 mittels des Stellelements 62 eingestellt werden. Das Stellelement 62 ist dabei relativ zum Verdichtergehäuse 18 bewegbar, um dadurch den Strömungsquerschnitt beziehungsweise den Wert des Strömungsquerschnitts S des Axialdiffusors 58 einzustellen.
Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass die Recheneinrichtung 28 auch mit dem Eintrittselement 38 und mit den Stellelementen 46 und 62 gekoppelt ist und somit zum Regeln oder Steuern des Eintrittselements 38, des Stellelements 46 und des Stellelements 62 dient.
Der Axialdiffusor 58 schließt sich vorliegend zumindest im Wesentlichen direkt, das heißt unmittelbar an das Verdichterrad 20 an. Mit anderen Worten folgt der Axialdiffusor 58 in Strömungsrichtung der verdichteten Luft direkt auf den Radaustritt des Verdichterrads 20. Somit strömt die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft ohne Vermittlung eines Radialdiffusors in den Axialdiffusor 58 ein, wobei der Verdichter 14 als Diffusor ausschließlich den Axialdiffusor 58 umfasst.
Der Verdichter 14 weist darüber hinaus einen sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 20 erstreckenden Sammelkanal 64 auf, in den der Axialdiffusor 58 mündet. Dadurch kann die den Axialdiffusor 58 durchströmende Luft in den Sammelkanal 64 einströmen. Der Sammelkanal 64 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 20 über dessen Umfang zumindest teilweise und ist zumindest im Wesentlichen spiralförmig ausgebildet, so dass der Sammelkanal 64 auch als Spiralkanal bezeichnet wird. Der Sammelkanal 64 dient als Sammelraum und zum Sammeln und zum weiteren Verlangsamen der verdichteten Luft.
Zur Realisierung eines besonders geringen Bauraumbedarfs des Verdichters 14 sowie zur Realisierung vorteilhafter, von der verdichteten Luft durchströmbarer Strömungsquerschnitte des Radialverdichters (Verdichter 14) ist der Sammelkanal 64 in radialer Richtung zumindest bereichsweise außenseitig des Axialdiffusors 58 angeordnet. Vorliegend ist der Sammelkanal 64 zumindest überwiegend in radialer Richtung außenseitig des Axialdiffusors 58 angeordnet, wobei der Axialdiffusor 58 in radialer Richtung nach außen zumindest bereichsweise und vorliegend zumindest überwiegend durch den Sammelkanal 64 überdeckt ist.
Die Abströmkante 54 der Laufradschaufel 50 ist vollständig in einer Ebene, das heißt in einer gedachten Ebene angeordnet, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließt. Dieser Winkel kann in einem Bereich von einschließlich 20 Grad bis einschließlich 90 Grad, vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 45 Grad bis einschließlich 90 Grad und besonders vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 60 Grad bis einschließlich 90 Grad liegen. Die Anströmkante 52 ist in einer gedachten zweiten Ebene angeordnet. Die gedachte zweite Ebene, in der die Anströmkante 52 vollständig angeordnet ist, schließt mit der axialen Richtung ebenfalls einen von 0 Grad beziehungsweise 180 Grad unterschiedlichen Winkel ein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zweite gedachte Ebene mit der axialen Richtung einen von 90 Grad unterschiedlichen Winkel einschließt. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Ebene, in der die Abströmkante 54 angeordnet ist, und die zweite Ebene, in der die Anströmkante 52 angeordnet ist, zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
3a–c zeigen eine erste Ausführungsform des Verdichters 14. Bei dieser ersten Ausführungsform ist das Stellelement 62 als relativ zum Verdichtergehäuse 18 bewegbares konturiertes Ringelement ausgebildet, das sich in axialer Richtung innerhalb des Axialdiffusors 58 in gewünschte Positionen zwischen einer Minimal- und Maximalposition beliebig, das heißt stufenlos einstellen lässt. Die Minimalposition ist eine erste Endstellung, die in 3a gezeigt ist. In dieser Minimalposition ist der engste Strömungsquerschnitt S des Axialdiffusors 58 maximal versperrt beziehungsweise verengt. Mit anderen Worten ist in der Minimalposition der kleinstmögliche Wert des Strömungsquerschnitts S des Axialdiffusors 58 eingestellt. Die Maximalposition ist eine zweite Endstellung, die in 3c gezeigt ist. In der Maximalposition ist der engste Strömungsquerschnitt S des Axialdiffusors 58 maximal freigegeben. Dies bedeutet, dass in der Maximalposition der maximale Wert des engsten Strömungsquerschnitts S des Axialdiffusors 58 eingestellt ist. 3b zeigt eine Zwischenstellung des Stellelements 62 zwischen der Maximalposition und der Minimalposition. In der Zwischenstellung ist der engste Strömungsquerschnitt S gegenüber der Maximalposition verengt und gegenüber der Minimalposition freigegeben beziehungsweise vergrößert.
Zwischen einem Verdichterradaustritt 66, über welchen das Verdichterrad 20 von der verdichteten Luft abgeströmt wird, und dem engsten Strömungsquerschnitt S des Axialdiffusors 58 ist vorzugsweise ein Beschleunigungsbereich 68 des Axialdiffusors 58 angeordnet. Der Beschleunigungsbereich 68 wird auch als „Beschleunigungskanal-Abschnitt” bezeichnet. Wie aus 3a–c erkennbar ist, ist der Beschleunigungsbereich stromab der Abströmkante 54 und stromauf des engsten Strömungsquerschnitts S angeordnet. In diesen Beschleunigungskanal-Abschnitt werden die Strömungsverhältnisse direkt nach dem Verdichterrad 20 für die nachfolgende Diffusion im Axialdiffusor 58 geglättet und eine Begünstigung für die durchzuführende Strömungsverzögerung realisiert. Das Verhalten des nachfolgenden Axialdiffusors 58 wird somit maßgebend durch die Gestaltung einer festen Wandung 70 des Verdichtergehäuses 18 und durch eine variable Wandung in Form des Stellelements 62 bestimmt. Aus 3a ist erkennbar, dass der Beschleunigungsbereich 68 zumindest in der Minimalposition teilweise durch das Stellelement 62 und teilweise durch die feste Wandung 70 des Verdichtergehäuses 18 begrenzt ist. Der engste Strömungsquerschnitt S ist dabei sowohl in der Minimalposition als auch in der Maximalposition und in den Zwischenstellungen einerseits durch die Wandung 70 und andererseits durch das Stellelement 62 begrenzt.
Der Längenbereich 60 mit dem sich erweiternden Querschnitt des Axialdiffusors 58 schließt sich in Strömungsrichtung der verdichteten Luft durch den Axialdiffusor 58 an den engsten Strömungsquerschnitt S an. Dabei ist der Längenbereich 60 in den Stellungen des Stellelements 62 teilweise durch das Stellelement 62 und teilweise durch die feste Wandung 70 begrenzt.
Bei der ersten Ausführungsform ist das Stellelement 62 lediglich auf einer der Wandung 70 zugewandten ersten Seite 72 von der verdichteten Luft umströmbar. Eine in radialer Richtung der Wandung 70 abgewandte, zweite Seite 74 des Stellelements 62 ist bei der ersten Ausführungsform nicht von der verdichteten Luft umströmbar.
4a–c zeigen eine zweite Ausführungsform des Verdichters 14. Bei der zweiten Ausführungsform ist das Stellelement 62 sowohl auf der ersten Seite 72 als auch auf der zweiten Seite 74 von der Luft umströmbar. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, bei welcher ein sogenannter Einfachdiffusor geschaffen ist, ist bei der zweiten Ausführungsform ein einfacher Doppeldiffusor geschaffen, da die verdichtete Luft nicht nur zwischen dem Stellelement 62 und der Wandung 70, sondern auch auf der zweiten Seite 74 zwischen dem Stellelement 62 und einer weiteren festen Wandung 76 des Verdichtergehäuses 18 hindurchströmen kann.
Die Bewegung und Regelung beziehungsweise Steuerung des Stellelements 62 wird durch einen außerhalb des Axialdiffusors 58 angebrachten und in 3a–4c besonders schematisch dargestellten Aktor 78 durchgeführt, welcher beispielsweise über nicht dargestellte Verbindungen die gewünschten Positionen des als Ringelement ausgebildeten Stellelements 62 und somit die Diffusor- und Verdichtereigenschaften einstellen kann.
Vorzugsweise ist das Stellelement 62 symmetrisch zur Drehachse 22 angeordnet. Dabei kann die axiale Bewegung des Stellelements 62 auch mit einer der Axialbewegung überlagerten Drehbewegung erzeugt werden, wodurch vorteilhafte Bedingungen für eine einfache und zuverlässige Verstellvorrichtung durch Gewinde- und/oder Kulissenlösungen gegeben sind.
Anhand von 5a und 5b ist eine erste Ausführungsform des Verdichterrads 20 veranschaulicht. Das Verdichterrad 20 gemäß der ersten Ausführungsform ist als sogenanntes „radial endendes Verdichterrad” ausgebildet, welches einen Austrittschaufelwinkel β_2s von 90 Grad aufweist. In 5a und 5b sind entsprechende Radsegmente mit den insgesamt mit 50 bezeichneten Laufradschaufeln des Verdichterrads 20 gezeigt, wobei das Verdichterrad 20 beispielsweise 20 Laufradschaufeln aufweist.
Anhand von 6a und 6b ist eine zweite Ausführungsform des Verdichterrads 20 veranschaulicht. Das Verdichterrad 20 gemäß der zweiten Ausführungsform ist als „vorwärts gekrümmtes Verdichterrad” ausgebildet, wobei es einen Austrittschaufelwinkel β_2s von kleiner als 90 Grad aufweist. Vorliegend beträgt der Schaufelaustrittswinkel β_2s 40 Grad, wie aus 6a erkennbar ist.
Schließlich ist anhand von 7a und 7b eine dritte Ausführungsform des Verdichterrads 20 veranschaulicht. Gemäß der dritten Ausführungsform ist das Verdichterrad 20 als „rückwärts gekrümmtes Verdichterrad” ausgebildet, wobei es einen Austrittschaufelwinkel β_2s von größer als 90 Grad aufweist. Wie aus 7a erkennbar ist, beträgt der Schaufelaustrittswinkel β_2s beispielsweise 130 Grad. In 5a–7b sind die Laufradschaufeln 50, welche auch als Beschaufelungen bezeichnet werden, als Drahtgitter dargestellt. Die Beschaufelungen sind beispielsweise als streng radial stehende Schaufeln ausgelegt, wodurch keine Biegemomente vorliegen und die maximal mögliche Werkstoffausnutzung bei allen drei Ausführungsformen durch die Grenz-Fliehkraft beziehungsweise die maximal mögliche Umfangsgeschwindigkeit des äußersten Raddurchmessers gegeben ist. Der Schaufelaustrittswinkel β_2s entspricht dabei der Schaufelaustrittsrichtung zur Umfangsrichtung, wie aus 5a–7b erkennbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008051981 A1 [0002]
DE 102011120168 A1 [0003]
WO 2011/141425 A1 [0004]

Claims

Radialverdichter (14) für einen Abgasturbolader (16) einer Verbrennungskraftmaschine (10), mit einem um eine Drehachse (22) drehbaren und wenigstens eine Laufradschaufel (50) aufweisenden Verdichterrad (20), welches bei einem Betrieb des Radialverdichters (14) in axialer Richtung von mittels des Verdichterrads (20) zu verdichtender Luft anströmbar ist und die Luft in radialer Richtung umlenkt, und mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden und von der vom Verdichterrad (20) über wenigstens eine Abströmkante (54) der Laufradschaufel (50) abströmenden, verdichteten Luft durchströmbaren Axialdiffusor (58), dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Luft axial unmittelbar vom Verdichterrad (20) in den Axialdiffusor (58) einströmt, wobei der Axialdiffusor (58) wenigstens ein Stellelement (62) aufweist, mittels welchem ein von der verdichteten Luft durchströmbarer engster Strömungsquerschnitt (S) des Axialdiffusors (58) einstellbar ist.
Radialverdichter (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialdiffusor (58) einen stromauf des engsten Strömungsquerschnitts (S) angeordneten Beschleunigungsbereich (68) aufweist, dessen von der verdichteten Luft durchströmbarer Querschnitt sich ausgehend von der Abströmkante (54) in Richtung des engsten Strömungsquerschnitts (S) verjüngt.
Radialverdichter (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsbereich (68) in zumindest einer Stellung des Stellelements (62) zumindest teilweise durch das Stellelement (62) begrenzt ist.
Radialverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialdiffusor (58) einen sich in Strömungsrichtung der verdichteten Luft an den engsten Strömungsquerschnitt (S) anschließenden Längenbereich (60) mit einem von der verdichteten Luft durchströmbaren und sich in Strömungsrichtung der Luft erweiternden Querschnitt aufweist.
Radialverdichter (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenbereich (60) in zumindest einer Stellung des Stellelements (62) zumindest teilweise durch das Stellelement (62) begrenzt ist.
Radialverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkante (54) der Laufradschaufel (50) zumindest bereichsweise in einer Ebene angeordnet ist, welche mit der axialen Richtung einen von 0 Grad unterschiedlichen Winkel einschließt.
Radialverdichter (14) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einem Bereich von einschließlich 20 Grad bis einschließlich 90 Grad, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 45 Grad bis einschließlich 90 Grad, liegt.
Radialverdichter (14) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in einem Bereich von einschließlich 60 Grad bis einschließlich 90 Grad liegt.
Radialverdichter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufel (50) eine von der zu verdichtenden Luft anzuströmende Anströmkante (52) aufweist, wobei die Abströmkante (54) zumindest teilweise in einer ersten Ebene und die Anströmkante (52) zumindest teilweise in einer zweiten Ebene angeordnet ist und wobei die erste Ebene und die zweite Ebene parallel zueinander verlaufen.