DE102015202375A1 - Radial compressor, exhaust gas turbocharger and corresponding method for operating a centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft 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. Der Radialverdichter für einen Abgasturbolader weist Folgendes auf: ein Gehäuse mit einem axialen Einlasskanal und einem radialen Auslasskanal, welches einen Verdichterraum wenigstens teilweise umgibt, wobei in dem Gehäuse einlasskanalseitig eine Ausnehmung eingerichtet ist, ein in dem Verdichterraum angeordnetes Verdichterrad zum Fördern und Komprimieren eines Gases vom Einlasskanal zum Auslasskanal, Mittel zum Anpassen der inneren Gehäusekontur, aufweisend: einen axial verschiebbaren Gehäuseeinsatz, welcher in dem Verdichterraum in einem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad angeordnet ist, eine Drehscheibe, welche mittels eines in die Ausnehmung greifenden Zapfens um den Einlasskanal drehbar gelagert ist, einen Kolben, welcher zwischen der Drehscheibe und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist.The invention provides a radial compressor for an exhaust gas turbocharger, in particular an internal combustion engine, as well as an exhaust gas turbocharger with such a radial compressor. The invention further relates to a method for operating such a radial compressor. The radial compressor for an exhaust gas turbocharger comprises a housing having an axial inlet channel and a radial outlet channel which at least partially surrounds a compressor chamber, wherein a recess is arranged in the housing on the inlet channel side, a compressor wheel arranged in the compressor chamber for conveying and compressing a gas from An inlet channel to the outlet channel, means for adjusting the inner housing contour, comprising: an axially displaceable housing insert, which is arranged in the compressor chamber in a region between the housing and the compressor wheel, a hub which rotatably supported by a recess in the recess around the inlet channel is a piston which is arranged between the hub and the housing insert.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine, sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter. Ebenso kann es sich um einen Verdichter für z.B. eine Wärmepumpe handeln. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Radialverdichters.The present invention relates to a radial compressor for an exhaust gas turbocharger, in particular an internal combustion engine, and to an exhaust gas turbocharger with such a radial compressor. It may also be a compressor for e.g. act a heat pump. The invention further relates to a method for operating such a radial compressor.
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.Exhaust gas turbochargers are used for example in internal combustion engines to increase the pressure level in the fresh gas during the charge cycle. Such an exhaust gas turbocharger can be equipped with a radial compressor, which has a compressor wheel, by means of which the respective gas can be conveyed and compressed. For this purpose, the compressor can have an axial input side and a radial output side, and be arranged in a compressor chamber. An inlet channel leads to the input side of the compressor wheel and in the case of an internal combustion engine to a low-pressure region of a fresh gas system equipped with the exhaust-gas turbocharger. An exhaust passage leads from the exit side of the compressor wheel away to the high pressure side of the fresh gas system. The compressor wheel is surrounded by the compressor housing within the compressor chamber. The compressor housing has a cover disk on an inner surface which is radial to the compressor wheel and a rear disk on an inner surface which is axial to the compressor wheel.
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.In order to ensure an undisturbed and in particular frictionless rotational movement of the compressor wheel in the exhaust gas turbocharger, there must remain a clearance in the manner of a gap between the compressor wheel and a compressor housing forming the compressor chamber, so that the compressor wheel and compressor housing are arranged at a distance from one another and consequently no disturbing frictional forces between them Components may occur. Thus, the gap between the compressor wheel and the compressor housing is measured with two gap widths, namely the gap width between the compressor wheel and the cover plate of the compressor housing and between the compressor wheel and the rear window of the compressor housing. Too much formed gap, that is too large a gap width of the column described, leads to an undesirable power attenuation of the compressor, since such a gap leads to a reduction of the capacity.
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schafft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader nach Anspruch 1, einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter nach Anspruch 8 und ein Betriebsverfahren nach Anspruch 9 für einen entsprechendes Radialverdichter.The invention provides a radial compressor for an exhaust gas turbocharger according to claim 1, an exhaust gas turbocharger with such a radial compressor according to claim 8 and an operating method according to claim 9 for a corresponding centrifugal compressor.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Einstellmöglichkeit für den Zwischenraum zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse bereitzustellen. Hierfür weist der Radialverdichter Mittel zum Anpassen der inneren Gehäusekontur auf. Die Mittel umfassen einen axial verschiebbaren Gehäuseeinsatz, welcher in dem Verdichterraum in dem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad angeordnet ist, eine Drehscheibe, welche mittels eines in eine schräg verlaufende Ausnehmung greifenden Zapfens um den Einlasskanal drehbar gelagert ist, sowie einen Kolben, welcher zwischen der Drehscheibe und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist. Die Schräge bzw. die Steigung der Ausnehmung bezogen auf die Länge der Ausnehmung, gibt den maximal einstellbaren Hub vor, welche von der Drehscheibe auf den Kolben ausgeübt wird, vor.The idea underlying the present invention is to provide an adjustment for the gap between the compressor wheel and the compressor housing. For this purpose, the radial compressor means for adjusting the inner housing contour. The means comprise an axially displaceable housing insert which is arranged in the compressor space in the region between the housing and the compressor wheel, a turntable which is rotatably mounted about the inlet channel by means of a pin engaging in an oblique recess, and a piston which interposes the turntable and the housing insert is arranged. The slope or the slope of the recess relative to the length of the recess, before the maximum adjustable stroke, which is exerted by the hub on the piston before.
Die Mittel zum Anpassen der inneren Gehäusekontur sind derart eingerichtet, dass diese eine Spaltbreite zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz steuern, indem die Drehscheibe über den Kolben eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt. Durch die erfindungsgemäße Einstellmöglichkeit des Zwischenraums zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad ist der Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz sowohl manuell als auch automatisch einstellbar. Die Drehscheibe, an der die Einstellung der Spaltbreite vorgenommen wird, ist insbesondere leicht zugänglich und stellt des Weiteren auch eine besonders kostengünstige Einstellmöglichkeit bereit. Der Zapfen ermöglicht die Anbringung der Drehscheibe an dem Gehäuse sowie die drehbare Lagerung umfänglich des Gehäuses auf besonders einfache, zuverlässige und kostengünstige Art und Weise.The means for adjusting the inner housing contour are arranged such that they control a gap width between the compressor wheel and the housing insert by the hub transmits a force to the housing insert via the piston. The inventive adjustment of the gap between the compressor housing and the compressor wheel, the gap between the compressor wheel and the housing insert both manually and automatically adjustable. The hub on which the adjustment of the gap width is made, in particular, is easily accessible and also provides a particularly cost-effective adjustment. The pin allows the attachment of the hub to the housing and the rotatable mounting circumferentially of the housing in a particularly simple, reliable and cost-effective manner.
Durch Verdrehen der Drehscheibe wird deren Position in axialer Richtung des Einlasskanals eingestellt, und insbesondere der Abstand der Drehscheibe zum verdichterraumseitigen Gehäuseteil eingestellt. Somit gibt die Position der Drehscheibe eine in Richtung des Verdichterrads gerichtete Kraft auf den Kolben vor. Der Kolben überträgt die zum Verdichterrad gerichtete Kraft auf den Gehäuseeinsatz, welcher sich aufgrund dessen in Richtung des Verdichterrades verschiebt.By rotating the turntable whose position is adjusted in the axial direction of the inlet channel, and in particular set the distance of the turntable to the compressor chamber side housing part. Thus, the position of the turntable predetermines a force directed towards the compressor wheel on the piston. The piston transmits the force directed to the compressor wheel on the housing insert, which shifts due to this in the direction of the compressor wheel.
Durch die Einstellmöglichkeit des Spalts zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse 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 des Spaltes, welches mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, können Fertigungstoleranzen korrigiert werden. Da sich die Spaltbreite nachteilig auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters auswirkt, kann mit der vorliegenden Erfindung auch der Wirkungsgrad eines Radialverdichters, bei gleichbleibenden Herstellungskosten, verbessert werden.By adjusting the gap between the compressor and the compressor housing, the present invention also allows compensation of manufacturing tolerances in the manufacture of centrifugal compressors, due to which the gap between the compressor housing and the compressor can vary. By subsequently adjusting the gap provided by the present invention, manufacturing tolerances can be corrected. Since the gap width adversely affects the efficiency of the radial compressor, with the present invention, the efficiency of a centrifugal compressor, with constant manufacturing costs, can be improved.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist ein erfindungsgemäßer Radialverdichter zusätzlich eine Feder auf, welche zwischen dem Kolben und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist, um den Kolben gegen die Drehscheibe zu drücken. Somit ist sichergestellt, dass, falls die Drehscheibe sich in einer Nullposition befindet, in welcher diese keine Kraft auf den Kolben ausübt, der Kolben durch die Feder in eine Nullposition gebracht wird. Zudem stellt die Feder auch ein Dämpfungsmittel dar, welches auftretende Schwingungen während des Verdichterbetriebs dämpft. Zudem gibt die Feder auch ein Übertragungsverhältnis zwischen der Kraft durch die Drehscheibe auf den Kolben und der Kraft durch den Kolben auf den Gehäuseeinsatz vor. Somit ist es möglich, durch die Wahl der passenden Feder die auf den Gehäuseeinsatz übertragene Kraft in Abhängigkeit der Position der Drehscheibe zu skalieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Radialverdichter zusätzlich eine Regeleinrichtung auf, welche eingerichtet ist, um eine Verschiebung des Verdichterrades zu ermitteln und die Position des Gehäuseeinsatzes an die ermittelte Verschiebung des Verdichterrades anzupassen. Hierdurch ist es möglich, die Spaltbreite zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz auch während des Verdichterbetriebs nachträglich anzupassen. Somit kann die Breite der Spalte optimal an einen Betriebszustand des Radialverdichters, etwa die Drehzahl des Verdichterrades, angepasst werden. Somit gibt die Feder eine maximale Rückstellkraft vor. According to a preferred development, a radial compressor according to the invention additionally comprises a spring, which is arranged between the piston and the housing insert in order to press the piston against the turntable. Thus, it is ensured that if the hub is in a zero position in which it exerts no force on the piston, the piston is brought by the spring in a zero position. In addition, the spring is also a damping means, which absorbs vibrations occurring during the compressor operation. In addition, the spring also provides a transmission ratio between the force through the hub on the piston and the force through the piston on the housing insert. Thus, it is possible to scale by the choice of the appropriate spring transmitted to the housing insert force depending on the position of the turntable. According to a further preferred development, the radial compressor additionally has a control device which is set up to detect a displacement of the compressor wheel and to adapt the position of the housing insert to the determined displacement of the compressor wheel. This makes it possible to subsequently adjust the gap width between the compressor wheel and the housing insert during the compressor operation. Thus, the width of the column can be optimally adapted to an operating state of the radial compressor, such as the speed of the compressor wheel. Thus, the spring provides a maximum restoring force.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Ausnehmung zusätzlich Rastmittel auf, um den Zapfen in der Ausnehmung lösbar zu fixieren. Durch die Ausbildung von Rastmitteln in der Ausnehmung, welche mit dem Zapfen zusammenwirken, ist eine besonders flexible sowie zuverlässige Einstellmöglichkeit der Position der Drehscheibe gegeben.According to a further preferred development, the recess additionally has latching means in order to releasably fix the pin in the recess. The formation of locking means in the recess, which cooperate with the pin, a particularly flexible and reliable adjustment of the position of the hub is given.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Rastmittel als Drehverschluss, insbesondere als Bajonettverschluss ausgebildet. Durch einen Drehverschluss ist eine besonders kostengünstige sowie zuverlässige Verschlussmöglichkeit bereitgestellt. Insbesondere ein Bajonettverschluss ist besonders einfach zu bedienen, indem dieser eine leicht lösbare sowie selbstverriegelnde mechanische Verbindung bildet. According to a further preferred embodiment, the locking means are designed as a rotary closure, in particular as a bayonet closure. By a screw cap a particularly cost-effective and reliable closure option is provided. In particular, a bayonet lock is particularly easy to use, by this forms an easily detachable and self-locking mechanical connection.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind in Umlaufrichtung umfänglich des Einlasskanals an dem Verdichtergehäuse zumindest zwei, insbesondere drei Kolben eingerichtet. Hierdurch ist eine optimale und gleichmäßige Kraftverteilung bei minimalem Materialeinsatz bereitgestellt.According to a further preferred refinement, at least two, in particular three, pistons are arranged in the circumferential direction of the inlet channel on the compressor housing. This provides an optimal and even force distribution with minimum use of material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Gehäuseeinsatz mittels zumindest einer Leitschaufel mit einer Rückscheibe des Radialverdichters verbunden. Hierdurch wird ein Verbund aus dem Gehäuseeinsatz, der Leitschaufel und der Rückscheibe geschaffen, welcher es ermöglicht, neben dem Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz einen weiteren Spalt zwischen der Rückscheibe und dem Verdichterrad gleichzeitig und ohne weiteren Einstellaufwand zu steuern.According to a further preferred development of the housing insert is connected by means of at least one vane with a rear disk of the centrifugal compressor. As a result, a composite of the housing insert, the guide vane and the rear window is provided, which makes it possible to control, in addition to the gap between the compressor and the housing insert another gap between the back plate and the compressor simultaneously and without further adjustment.
Die Erfindung betrifft auch einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale.The invention also relates to an exhaust gas turbocharger with a centrifugal compressor having one or more of the aforementioned features.
Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für einen vorstehend erläuterten Radialverdichter. Gemäß diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird ein Soll-Zustand einer Breite eines Spalts zwischen einem Verdichterrad und einem Gehäuseeinsatz ermittelt. In einem weiteren Schritt wird eine Position eines Zapfens, an welchem eine Drehscheibe befestigt ist, aufgrund des ermittelten Soll-Zustandes gesteuert, so dass die Drehscheibe über einen Kolben eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt. Durch die vorstehend genannten Schritte zum Betreiben eines Radialverdichters ist ein besonders effizientes Verfahren bereitgestellt. Beispielsweise könnte vorgesehen sein, einzelnen Positionen der Drehscheibe einzelne Betriebszustände des Radialverdichters, etwa der Drehzahl des Verdichterrades, zuzuweisen.The invention further relates to an operating method for a radial compressor explained above. According to this method, in a first step, a centrifugal compressor having one or more of the foregoing features is provided. In a further step, a desired state of a width of a gap between a compressor wheel and a housing insert is determined. In a further step, a position of a pin, to which a turntable is fastened, is controlled on the basis of the determined desired state, so that the turntable transmits a force to the housing insert via a piston. By the above steps for operating a centrifugal compressor, a particularly efficient method is provided. For example, it could be provided to assign individual operating states of the radial compressor to individual positions of the rotary disk, for example the rotational speed of the compressor wheel.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Betriebsverfahrens für einen Radialverdichter wird zusätzlich eine Axialverschiebung des Verdichterrades während des Betriebs des Radialverdichters ermittelt sowie die Position des Zapfens aufgrund der ermittelten Axialverschiebung des Verdichterrades gesteuert. Hierdurch kann eine Toleranz gegenüber einer möglichen unerwünschten Axialverschiebung des Verdichterrades geschaffen werden. Ferner ist es somit möglich während des Verdichterbetriebs noch auf eine Axialverschiebung des Verdichterrades zu reagieren. Folglich ist hierdurch ein besonders robustes Betriebsverfahren für einen Radialverdichter bereitgestellt.According to a preferred development of the operating method for a centrifugal compressor, an axial displacement of the compressor wheel during operation of the centrifugal compressor is additionally determined and the position of the journal is controlled on the basis of the determined axial displacement of the compressor wheel. This allows a tolerance to a possible unwanted Axial displacement of the compressor wheel are created. Furthermore, it is thus possible during the compressor operation to respond to an axial displacement of the compressor wheel. Consequently, this provides a particularly robust operating method for a radial compressor.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Further features and advantages of the present invention will be explained below with reference to embodiments with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente. In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
Anhand der
Der Radialverdichter
Der Radialverdichter
In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung existiert zwischen dem Verdichterrad
Durch ein Verschieben des Gehäuseeinsatzes
Optional kann eine Leitschaufel den Gehäuseeinsatz
Zudem kann auch das Verdichterrad
Die Mittel
Durch ein Verdrehen der Drehscheibe
Zwischen dem Kolben
Um den Wirkungsgrad des Verdichters
Die Rastmittel
Durch die Rastmittel
Befindet sich der Zapfen
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.Although the present invention has been described in terms of preferred embodiments, it is not limited thereto. In particular, the materials and topologies mentioned are only examples and not limited to the illustrated examples.
Der Radialverdichter kann Teil eines Abgasturboladers sein. Ein solcher Abgasturbolader kann mit dem Verdichterrad des Radialverdichters ein mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenes Turbinenrad aufweisen. The centrifugal compressor may be part of an exhaust gas turbocharger. Such an exhaust-gas turbocharger may have, with the compressor wheel of the radial compressor, a turbine wheel connected in a rotationally fixed manner by means of a rotor shaft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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