DE102013220087A1

DE102013220087A1 - Verdichter mit variablem Verdichtereinlauf

Info

Publication number: DE102013220087A1
Application number: DE102013220087.0A
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl; Philippe Grass
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-02
Also published as: JP2016536501A; CN105593527B; EP3052811A1; WO2015049159A1; CN105593527A; US20160238013A1

Abstract

Es wird ein Verdichter eines Turboladers mit einem Verdichtergehäuse, einem darin gelagerten Verdichterrad mit Verdichterschaufeln und einem Verdichtereinlauf beschrieben. Der Verdichtereinlauf umfasst mindestens in einem zum Verdichtergehäuse benachbarten Abschnitt ein Innenrohr und ein dieses umgebendes Außenrohr. Das Innenrohr ist auf den radial inneren Bereich und das Außenrohr auf den radial äußeren Bereich der Verdichterschaufeln gerichtet. Der Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres und/oder des Innenrohres ist zumindest teilweise absperrbar, so dass die Verdichterschaufeln variabel angeströmt werden können. Die Anströmung des Verdichterrades wird daher in Abhängigkeit von der Motorlast optimiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter eines Turboladers, insbesondere Abgasturboladers, mit einem Verdichtergehäuse, einem darin gelagerten Verdichterrad mit Verdichterschaufeln und einem Verdichtereinlauf.
Aufgrund der Optimierung von Ottomotoren mit dem Ziel der Verbrauchsreduzierung steigen die Anforderungen an den Arbeitsbereich von Turboladern. Der wichtigste Grund dafür ist, dass zur Effizienzsteigerung bei Teillast der Motor mit möglichst niedriger Drehzahl, aber hohem Drehmoment betrieben wird. Dazu wird hoher Ladedruck bei relativ geringem Volumenstrom gefordert. Die Anströmung des Verdichterrades muss deshalb für einen breiten Volumenstrombereich optimiert werden. Um zukünftige erhöhte Anforderungen erfüllen zu können, wird es notwendig, die Anströmung umschaltbar zu gestalten, so dass je nach Volumenstrom ein großer oder kleiner Strömungsquerschnitt gewählt werden kann. So ist es möglich, dass nicht nur bei großem, sondern auch bei kleinem Volumenstrom eine ausreichend hohe Anströmgeschwindigkeit der Verdichterschaufeln erreicht werden kann. Bei niedriger Anströmgeschwindigkeit, aber hoher Verdichterdrehzahl, ergibt sich nämlich eine zu steile Anströmung der Schaufelkante, was zu einem Strömungsabriss führt. Dieser Betriebsbereich wird als Pumpgrenze bezeichnet.
Um diese Probleme zu lösen, hat man Turbolader mit Drall erzeugenden Luftführungen entwickelt, welche dazu beitragen, den Anströmwinkel der Verdichterschaufeln bei niedrigen Anströmgeschwindigkeiten zu verbessern. Diese Konstruktionen verursachen jedoch bei Volllast einen unnötigen Strömungswiderstand.
Bei einer anderen Lösung wird bereits verdichtete Luft über einen ringförmigen Kanal im Verdichtereinlauf rückgeführt. Hiermit kann trotz niedriger Ansaugluftmenge eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Verdichter erreicht werden. Da diese Lösung aber den Laderwirkungsgrad in weiten Bereichen verschlechtert, reicht bei Anwendungen im PKW die Turbinenleistung nicht aus, den Verdichter anzutreiben.
In der DE 10 2010 026 176 A1 ist ein System beschrieben, bei dem durch Verringerung des Anströmquerschnittes bei niedriger Motordrehzahl die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Hierzu wird ein mechanisch relativ komplexes Teil direkt in den Verdichtereinlauf montiert. Kritisch kann hierbei sein, dass für diese Vorrichtung kein ausreichender Einbauraum zur Verfügung steht und dass in Bezug auf Zyklenzahl und Temperaturbelastung die Robustheit Probleme bereitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs geschilderten Art zu schaffen, der bei einer besonders einfachen Bauart des Verdichtereinlaufes besonders vielseitig betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verdichter der angegebenen Art dadurch gelöst, dass der Verdichtereinlauf mindestens in einem zum Verdichtergehäuse benachbarten Abschnitt ein Innenrohr und ein dieses umgebendes Außenrohr umfasst, dass das Innenrohr auf den radial inneren Bereich und das Außenrohr auf den radial äußeren Bereich der Verdichterschaufeln gerichtet ist und dass der Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres und/oder des Innenrohres zumindest teilweise absperrbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert daher auf dem Prinzip, den Verdichtereinlauf in zwei Bereiche aufzuteilen, nämlich einen Innenbereich und einen diesen umgebenden ringförmigen Außenbereich. Der Innenbereich wird vom Durchtrittsquerschnitt des Innenrohres gebildet, während der ringförmige Außenbereich vom Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres gebildet wird. Da beide Bereiche zumindest teilweise absperrbar sind, können die Verdichterschaufeln entweder über den gesamten Durchtrittsquerschnitt beider Rohre beaufschlagt werden, oder nur über den ringförmigen Außenbereich (Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres) oder nur über den Innenbereich (Durchtrittsquerschnitt des Innenrohres). Da die Durchtrittsquerschnitte auch nur teilweise abgesperrt werden können, ist auch jeweils eine teilweise Beaufschlagung über den entsprechenden Durchtrittsquerschnitt oder über beide Durchtrittsquerschnitte möglich.
Der Durchtrittsquerschnitt des Verdichtereinlaufes kann daher durch einfaches Absperren verringert werden, wobei die Absperrung entweder im zentralen inneren Bereich oder im radial äußeren ringförmigen Bereich vorgenommen wird. Durch (teilweises) Absperren des Innenrohres kann die Strömungsgeschwindigkeit im Außenrohr erhöht werden. Umgekehrt kann durch (teilweises) Absperren des Außenrohres die Strömungsgeschwindigkeit im Innenrohr erhöht werden. Auf diese Weise kann die Anströmung des Verdichterrades über einen breiten Volumenstrombereich optimiert werden. Je nach Volumenstrom kann ein großer oder ein kleiner Strömungsquerschnitt gewählt werden. Nicht nur bei großem, sondern auch bei kleinem Volumenstrom kann eine ausreichend hohe Anströmgeschwindigkeit der Verdichterschaufeln erreicht werden.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Verdichtereinlauf zwei nebeneinander angeordnete Rohre, von denen eines in das Innere des anderen geführt ist und sich als im Außenrohr erstreckendes Innenrohr bis zum Verdichtergehäuse erstreckt. Hierbei spaltet sich daher der vom Sammelrohr kommende Verdichtereinlauf in zwei nebeneinander angeordnete Rohre auf, die dann in ein Innenrohr und ein dieses umgebendes Außenrohr übergehen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Absperrung der beiden Rohre (Innenrohr und Außenrohr) mit relativ einfachen Mitteln durchgeführt werden kann. Vorzugsweise ist hierbei nämlich mindestens eines der nebeneinander angeordneten Rohre mit Absperreinrichtungen versehen. Die Absperreinrichtungen sind daher im Bereich der getrennten Rohre angeordnet und nicht im Bereich der konzentrischen Rohre (Innenrohr und Außenrohr), so dass sie relativ einfach ausgebildet sein können. Als Absperreinrichtungen können hierbei beispielsweise Schieber oder einfache Luftklappen Verwendung finden, wobei Luftklappen besonders bevorzugt werden, da sie eine besonders einfache Absperrmöglichkeit darstellen.
Eine derartige Lösung ermöglicht somit insbesondere die Verwendung einer einfachen Luftklappe anstelle von aufwendig gestalteten variablen Blenden zur Querschnittsverengung. Die Luftklappe ist hierbei im Abstand vom Verdichtergehäuse angeordnet, d. h. nicht im Bereich der konzentrischen Rohre, sondern im Bereich der getrennten Rohre, so dass sich die Absperreinrichtung bzw. Luftklappe nicht unmittelbar im Eintrittsbereich des Verdichtergehäuses befindet und hierdurch Bauraum- und Temperaturprobleme relativ einfach gelöst werden können.
Wie erwähnt, ist erfindungsgemäß der Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres und/oder des Innenrohres zumindest teilweise absperrbar. Es können daher in beiden nebeneinander angeordneten Rohren entsprechende Luftklappen oder Schieber, aber auch nur in einem dieser Rohre derartige Absperreinrichtungen angeordnet sein. Sind in beiden nebeneinander angeordneten Rohren beispielsweise Luftklappen angeordnet, kann im Betrieb des Verdichters gewählt werden, ob der äußere oder der innere Bereich der Verdichterschaufeln angeströmt werden soll.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Verdichter einen die Absperreinrichtungen in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter eines zugehörigen Verbrennungsmotors steuernden Aktuator auf. Ein derartiger Aktuator kann beispielsweise die Absperreinrichtungen in Abhängigkeit von der Motorlast steuern.
Bei einer speziellen Ausführungsform steuert ein einziger Aktuator die Absperreinrichtungen von beiden Rohren.
Beispielsweise kann hierbei ein Aktuator so funktionieren, dass beim Übergang von Volllast auf Teillast der erste Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres abgesperrt wird, beispielsweise die entsprechende Luftklappe geschlossen wird, und erst bei einer weiteren Reduzierung der Last der Durchtrittsquerschnitt des Innenrohres gedrosselt wird, beispielsweise die entsprechende Luftklappe teilweise geschlossen wird.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Absperreinrichtungen eine Drosselklappe im Sammelrohr ersetzen.
Die Erfindung wird nachfolgen anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch den Einlaufbereich eines Verdichters eines Turboladers.
In der entsprechenden schematischen Schnittdarstellung ist das Verdichtergehäuse 1 mit zugehörigem Verdichtereinlauf 12 dargestellt. Im Verdichtergehäuse 1 befindet sich ein Verdichterrad 2 mit entsprechenden Verdichterschaufeln (nur schematisch angedeutet). Aus einem nichtdargestellten Ansaugluftfilter strömt Luft in ein Sammelrohr 3 und von dort in den Verdichtereinlauf 12. Benachbart zum Sammelrohr 3 weist der Verdichtereinlauf 12 zwei getrennte nebeneinander angeordnete Rohre 4, 5 auf, in die das Sammelrohr 3 übergeht. Das in der Figur dargestellte obere Rohr 4 erstreckt sich in das untere Rohr 5 hinein, so dass im Bereich des Verdichtereinlaufes 12 benachbart zum Verdichtergehäuse 1 zwei konzentrische Rohre gebildet werden, nämlich ein Innenrohr 7 und ein Außenrohr 6. Das Innenrohr 7 ist dabei auf den radial inneren Bereich und das Außenrohr 6 auf den radial äußeren Bereich der Verdichterschaufeln gerichtet. Im Querschnitt besitzt das Innenrohr 7 einen kreisförmigen Luftdurchtrittsquerschnitt, während das Außenrohr 6 einen ringförmigen Luftdurchtrittsquerschnitt hat.
Die vom Sammelrohr 3 kommende Luft kann daher in Richtung auf den Verdichter sowohl durch das Rohr 4 und das nachfolgende Innenrohr 7 als auch durch das Rohr 5 und das nachfolgende Außenrohr 6 in das Verdichtergehäuse 1 strömen und die Verdichterschaufeln in unterschiedlichen radialen Bereichen beaufschlagen.
Im Bereich der nebeneinander angeordneten Rohr 4, 5 sind Absperreinrichtungen in den Rohren angeordnet. Es handelt sich hierbei um Luftklappen 8, 9, mittels denen die entsprechenden Rohrdurchtrittsquerschnitte vollständig oder teilweise abgesperrt werden können. Wenn die Luftklappe 8 das Rohr 5 und damit das Außenrohr 6 absperrt, gelangt Luft nur noch über das Rohr 4 und das Innenrohr 7 zum Verdichter. Wenn umgekehrt die Luftklappe 9 das Rohr 4 und damit das Innenrohr 7 absperrt, gelangt Luft nur noch über das Rohr 5 und das Außenrohr 6 zum Verdichter. Wenn beide Luftklappen 8, 9 geöffnet sind, werden die Verdichterschaufeln über den Durchtrittsquerschnitt beider Rohre 6, 7 angeströmt.
Die Luftklappen 8, 9 werden über einen schematisch dargestellten Aktuator 10 gesteuert, der von einer Steuereinheit 11 des zugehörigen Kraftfahrzeuges angesteuert wird, und zwar in Abhängigkeit von den jeweiligen Lastbedingungen. Für einen Motorbetrieb bei Volllast ist beispielsweise die Luftklappe 8 geöffnet, so dass der volle Anströmquerschnitt des Verdichters (der volle Durchtrittsquerschnitt der beiden Rohre 6, 7) genutzt werden kann. Wird aber bei niedriger Motordrehzahl und niedrigem Luftdurchsatz, beispielsweise im Miller-Cycle, ein hoher Ladedruck benötigt, ist bei hoher Verdichterdrehzahl die Anströmgeschwindigkeit zu niedrig, um einen Strömungsabriss an den Vorderkanten der Verdichterschaufeln zu vermeiden. Der Lader wird dann jenseits der Pumpgrenze betrieben, was einen weitgehenden Zusammenbruch des Ladedrucks bedeutet. Da sich der resultierende Anströmwinkel aus der jeweiligen Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterrades und der Anströmgeschwindigkeit ergibt, muss für den Betrieb mit niedrigem Luftdurchsatz bei hohem Ladedruck die Anströmgeschwindigkeit erhöht werden. Um diese zu erhöhen, wird die Luftklappe 8 geschlossen, so dass die gesamte Ansaugluft durch das Rohr 4 und das nachfolgende Innenrohr 7 strömen muss. Auf diese Weise wird nur der radial innere Bereich der Verdichterschaufeln beaufschlagt.
Je nach Schaufelgeometrie kann es aber auch günstiger sein, den Luftstrom nicht auf die Mitte zu konzentrieren, sondern den äußeren Bereich der Verdichterschaufeln anzuströmen. Wenn dies gewünscht wird, wird die Luftklappe 9 geschlossen und die Luftklappe 8 geöffnet.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform werden beide Luftklappen 8, 9 von einem einzigen Aktuator 10 gesteuert. Die zugehörige Mechanik kann hierbei beispielsweise so ausgebildet sein, dass beim Übergang von Volllast auf Teillast zuerst die Luftklappe 8 geschlossen wird und erst bei einer weiteren Reduzierung der Last die Klappe 9 zu drosseln beginnt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010026176 A1 [0005]

Claims

Verdichter eines Turboladers mit einem Verdichtergehäuse, einem darin gelagerten Verdichterrad mit Verdichterschaufeln und einem Verdichtereinlauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtereinlauf (12) mindestens in einem zum Verdichtergehäuse (1) benachbarten Abschnitt ein Innenrohr (7) und ein dieses umgebendes Außenrohr (6) umfasst, dass das Innenrohr (7) auf den radial inneren Bereich und das Außenrohr (6) auf den radial äußeren Bereich der Verdichterschaufeln gerichtet ist und dass der Durchtrittsquerschnitt des Außenrohres (6) und/oder des Innenrohres (7) zumindest teilweise absperrbar ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtereinlauf (12) zwei nebeneinander angeordnete Rohre (4, 5) umfasst, von denen eines in das Innere des anderen geführt ist und sich als im Außenrohr (6) erstreckendes Innenrohr (7) bis zum Verdichtergehäuse (1) erstreckt.
Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der nebeneinander angeordneten Rohre (4, 5) mit Absperreinrichtungen versehen ist.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtungen eine Luftklappe (8, 9) umfassen.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtungen einen Schieber umfassen.
Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen die Absperreinrichtungen in Abhängigkeit von einem Betriebsparameter eines zugehörigen Verbrennungsmotors steuernden Aktuator (10) aufweist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) die Absperreinrichtungen in Abhängigkeit von der Motorlast steuert.
Verdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Aktuator (10) die Absperreinrichtungen von beiden Rohren (4, 5) steuert.
Verdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtungen eine Drosselklappe im Sammelrohr (3) ersetzten.