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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine, sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Radialverdichters.
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Abgasturbolader kommen beispielsweise in Brennkraftmaschinen zur Anwendung, um das Druckniveau im Frischgas beim Ladungswechselvorgang zu erhöhen. Ein derartiger Abgasturbolader kann mit einem Radialverdichter ausgestattet sein, der ein Verdichterrad aufweist, mittels welchem das jeweilige Gas gefördert und komprimiert werden kann. Hierfür kann das Verdichterrad eine axiale Eingangsseite und eine radiale Ausgangsseite aufweisen, und in einem Verdichterraum angeordnet sein. Ein Einlasskanal führt zur Eingangsseite des Verdichterrads und bei einer Brennkraftmaschine zu einem Niederdruckbereich einer mit dem Abgasturbolader ausgestatteten Frischgasanlage. Ein Auslasskanal führt von der Ausgangsseite des Verdichterrads weg zur Hochdruckseite der Frischgasanlage. Das Verdichterrad ist innerhalb des Verdichterraums von dem Verdichtergehäuse umgeben. Das Verdichtergehäuse weist an einer zum Verdichterrad radialen inneren Oberfläche eine Deckscheibe und an einer zum Verdichterrad axialen inneren Oberfläche eine Rückscheibe auf.
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Um eine ungestörte und insbesondere reibungsfreie Rotationsbewegung des Verdichterrads in dem Abgasturbolader sicherzustellen, muss zwischen dem Verdichterrad und einem den Verdichterraum ausbildenden Verdichtergehäuse ein Zwischenraum in der Art eines Spaltes bestehen bleiben, so dass Verdichterrad und Verdichtergehäuse beabstandet zueinander angeordnet sind und folglich keine störenden Reibungskräfte zwischen diesen Bauteilen auftreten können. Somit wird der Zwischenraum zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse mit zwei Spaltweiten gemessen, nämlich der Spaltweite zwischen dem Verdichterrad und der Deckscheibe des Verdichtergehäuses sowie zwischen dem Verdichterrad und der Rückscheibe des Verdichtergehäuses. Ein zu stark ausgebildeter Spalt, das heißt eine zu große Spaltweite der beschriebenen Spalte, führt zu einer unerwünschten Leistungsschwächung des Verdichters, da ein solcher Zwischenraum zu einer Reduzierung der Förderleistung führt.
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Die
DE 10 2012 217 381 A1 zeigt einen Radialverdichter, bei welchem die Spaltweite eines Spalts zwischen dem Verdichterrad und der Deckscheibe einstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader nach Anspruch 1, einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter nach Anspruch 7 und ein entsprechendes Betriebsverfahren für einen Radialverdichter nach Anspruch 8.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Einstellmöglichkeit für den Zwischenraum zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse bereitzustellen. Hierfür weist der Radialverdichter einen axial und/oder radial verschiebbaren Gehäuseeinsatz auf, welcher in einem Verdichterraum in einem Bereich zwischen dem Verdichtergehäuse und einer Deckscheibe angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Einstellmöglichkeit des gesamten Zwischenraums zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad sind beide Spalte, das heißt sowohl der Spalt zwischen der Deckscheibe und dem Verdichterrad als auch der Spalt zwischen der Rückscheibe und dem Verdichterrad einstellbar.
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Die Deckscheibe sowie die Rückscheibe sind Teil eines Verbunds, welcher zusätzlich zumindest eine Leitschaufel aufweist. Dabei sind die Deckscheibe und die Rückscheibe durch die Leitschaufel verbunden. Durch die Verbindung der Deckscheibe mit der Rückscheibe durch die Leitschaufel ist eine abhängige Spaltbreiteneinstellungsmöglichkeit gegeben. Das heißt, dass nicht beide Spalte separat eingestellt werden müssen, sondern dass sich aus der ersten Spaltbreite zwischen der Deckscheibe und dem Verdichterrad bereits unmittelbar die zweite Spaltweite zwischen der Rückscheibe und der Verdichterrad ergibt. Infolgedessen ist lediglich ein Einstellmechanismus für den ersten oder den zweiten Spalt notwendig, da sich die Spaltweite des jeweils anderen Spaltes direkt und unmittelbar aus der Spaltweite des eingestellten Spaltes ergibt.
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Durch den Einstellmechanismus der Spalte ermöglicht die vorliegende Erfindung zudem einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Radialverdichtern, aufgrund derer der Zwischenraum zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad variieren kann. Durch das nachträgliche Einstellen der beiden Spalte zwischen Verdichterrad und Deckscheibe sowie zwischen Verdichterrad und Rückscheibe, welches mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, können Fertigungstoleranzen korrigiert werden. Da sich die Breite der beiden Spalte nachteilig auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters auswirkt, kann mit der vorliegenden Erfindung auch der Wirkungsgrad eines Radialverdichters, bei gleichbleibenden Herstellungskosten, verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist ein erfindungsgemäßer Radialverdichter zusätzlich eine Regeleinrichtung, welche eingerichtet ist, um eine axiale Verschiebung des Verdichterrades zu ermitteln und die Position des Gehäuseeinsatzes an die ermittelte Verschiebung des Verdichterrades anzupassen, auf. Hierdurch ist es möglich, die Breite der beiden Spalte auch während des Verdichterbetriebs nachträglich anzupassen. Somit können die Breite der Spalte optimal an einen Betriebszustand des Radialverdichters, etwa die Drehzahl des Verdichterrades, angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Deckscheibe und die Rückscheibe durch die Leitschaufel nicht-lösbar verbunden. Hierdurch ist eine besonders kostengünstige Herstellmöglichkeit eines Verbunds, welcher eine Deckscheibe, eine Rückscheibe und zumindest eine Leitschaufel aufweist, gegeben. Somit kann der Verbund einstückig ausgebildet sein bzw. aus einem Guss gefertigt sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Deckscheibe, die Rückscheibe, der Gehäuseeinsatz und/oder das Gehäuse in auslasskanalseitigen ersten und zweiten Bereichen abgerundete Kanten auf. Hierdurch können, im Falle einer Verschiebung des Verbunds gegenüber dem Verdichterrad, Strömungsverluste minimiert werden. Abgerundete Konturen verringern im Vergleich zu eckigen Konturen Verwirbelungen eines hieran entlang geführten Fluids und somit Widerstandsverluste.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verdeckt die Deckscheibe einen Dichtungsspalt zwischen dem Gehäuse und dem Gehäuseeinsatz. Dies verringert Strömungsverluste und verhindert zudem das Entweichen des zu komprimierenden Fluids in den Dichtungsspalt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine Feder sowie ein Kolben eingerichtet, um den Gehäuseeinsatz zu steuern. Hierdurch ist eine besonders kostengünstige Möglichkeit gegeben, den Gehäuseeinsatz zu steuern. Zudem ist eine derartige Einstellmöglichkeit auch manuell einstellbar.
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Die Erfindung betrifft auch einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für einen vorangehend erläuterten Radialverdichter. Gemäß diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Merkmale bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird eine Breite eines ersten Spalts zwischen einem Verdichterrad und einer Deckscheibe ermittelt. In einem weiteren Schritt wird eine Breite eines zweiten Spaltes zwischen dem Verdichterrad und einer Rückscheibe ermittelt. Aufgrund der beiden vorstehend genannten Messungen wird in einem nächsten Schritt eine Position eines Gehäuseeinsatzes und eines Verbunds gesteuert.
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Somit ist die Steuerung der Position des Gehäuseeinsatzes und/oder des Verbunds abhängig von dem Spalt zwischen dem Verdichterrad und der Deckscheibe sowie dem Spalt zwischen dem Verdichterrad und der Rückscheibe. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben eines Radialverdichters wird zusätzlich eine Axialverschiebung des Verdichterrades ermittelt und in einem weiteren Schritt die Position des Gehäuseeinsatzes und/oder des Verbunds aufgrund der ermittelten Axialverschiebung gesteuert. Durch die zusätzliche Messung der Axialverschiebung des Verdichterrades können etwaige Messfehler der Spaltbreiten des ersten und zweiten Spaltes ausgeglichen werden und folglich die beiden Spalte zwischen dem Verdichterrad und der Deck- und Rückscheibe noch präziser gesteuert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Betriebsverfahrens für einen Radialverdichter werden die Schritte des Ermittelns der Breite des ersten und zweiten Spaltens sowie des Steuerns der Position des Gehäuseeinsatzes und des Verbunds aufgrund der ermittelten Breite des ersten und zweiten Spaltes vor einer Inbetriebnahme eines Verdichters durchgeführt. Ferner werden die Schritte des Ermittelns einer Axialverschiebung des Verdichterrades und des Steuerns der Position des Gehäuseeinsatzes und/oder des Verbunds aufgrund der ermittelten Axialverschiebung kontinuierlich, während des Verdichterbetriebs vorgenommen. Somit wird die Position des Gehäuseeinsatzes einmalig, im Rahmen einer Grobeinstellung vorgenommen. Diese Grobeinstellung deckt bereits einen Großteil des Einstellbedarfs der Position des Gehäuseeinsatzes ab. Während des Verdichterbetriebs können die Breiten der eingestellten Spalte durch eine Axialverschiebung des Verdichterrades weiter in geringem Maße variieren. Für diese geringeren Änderungen der Spaltbreiten genügt es jedoch, lediglich die Axialverschiebung des Verdichterrades zu überwachen. Durch die Messung der Axialverschiebung entfällt die Notwendigkeit des Ermittelns der ersten und zweiten Spaltbreiten während des Verdichterbetriebs. Folglich entfällt auch die Notwendigkeit für die Auswertung der Messungen der ersten und zweiten Spaltbreiten. Infolgedessen kann das zu verarbeitende Datenvolumen verringert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters; und
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2 eine weitere schematische Querschnittsansicht der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters.
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Der Radialverdichter 100 umfasst ein Verdichtergehäuse 101, welches einen axialen Einlasskanal 103 und einen radialen Auslasskanal 105 aufweist. Das Verdichtergehäuse 101 umgibt zumindest teilweise einen Verdichterraum 107. In dem Verdichterraum 107 ist ein Verdichterrad 109 zum Fördern und Komprimieren eines Gases angeordnet. Von dem Einlasskanal 103 zum Auslasskanal 105 erstreckt sich ein Verbund 110, welcher eine Deckscheibe 111, eine Leitschaufel 115 sowie eine Rückscheibe 113 umfasst.
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Zwischen dem Verdichterrad 109 und der Deckscheibe 111 existiert ein erster Spalt S1. Zwischen dem Verdichterrad 109 und der Rückscheibe 113 existiert ein zweiter Spalt S2.
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Der Radialverdichter 100 umfasst des Weiteren einen Gehäuseeinsatz 117, welcher in dem Verdichterraum 107 am Verdichtergehäuse 101 ausgebildet ist. Der Gehäuseeinsatz 117 ist in dem Verdichterraum 107 sowohl in eine axiale Richtung A als auch in eine radiale Richtung B verfahrbar.
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Durch ein Verfahren des Gehäuseeinsatzes 117 in die Richtungen A und/oder B verschiebt sich der Verbund 110 gegenüber dem Verdichterrad 109. Infolge dessen ändern sich auch die Breiten der Spalte S1 und S2. Durch den steifen Verbund 110 von der Deckscheibe 111, der Rückscheibe 113 sowie der Leitschaufel 115 ergibt sich die Breite des Spaltes S2 unmittelbar aus der Breite des Spaltes S1. Bewegt sich der Verbund 110 beispielsweise in radiale Richtung B, so verringert sich die Breite des Spaltes S1 und die Breite des Spaltes S2 vergrößert sich.
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Zudem kann auch das Verdichterrad 109 in die Richtungen A und/oder B verfahren werden.
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Die Deckscheibe 111 verdeckt einen Dichtungsspalt 121 zwischen dem Gehäuseeinsatz 117 und dem Verdichtergehäuse 101. Hierdurch wird verhindert, dass ein zu komprimierendes Gas in den Dichtungsspalt 121 entweichen kann. Folglich werden Strömungsverluste gering gehalten.
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1 zeigt eine rein schematische Darstellung eines Radialverdichters. Insbesondere werden die Konturen des Verdichtergehäuses 101 in den Bereichen A1 und A2 nicht eckig verlaufen, sondern abgerundet, um eine Strömung besser durch den Radialverdichter 100 führen zu können.
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2 zeigt eine weitere Querschnittsansicht des Radialverdichters 100. In der 2 ist zudem ein Einstellmechanismus für den Gehäuseeinsatz 117 schematisch dargestellt. Der Einstellmechanismus umfasst eine Feder 123 sowie einen Kolben 125, welche die Position des Gehäuseeinsatzes 117 steuern.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Der Radialverdichter kann Teil eines Abgasturboladers sein. Ein solcher Abgasturbolader kann ein mit dem Verdichterrad des Radialverdichters mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenes Turbinenrad aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012217381 A1 [0004]
