DE102015215246A1

DE102015215246A1 - Verdichter eines Turboladers mit einem Schubumluftventil sowie Turbolader und Kraftfahrzeug mit einem solchen Verdichter

Info

Publication number: DE102015215246A1
Application number: DE102015215246.4A
Authority: DE
Inventors: Henrik Förster; Stefan Ehrmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2035-08-12
Also published as: DE102015215246B4; US20180058309A1; US10774731B2; CN107592898A; WO2017025235A1; CN107592898B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (1) eines Turboladers (2), dessen Verdichtungsrohr (4) mit seinem Ansaugrohr (8) über einen Rückflusskanal (14) verbunden ist, in welchem ein Schubumluftventil (30) zur Steuerung des Rückflusses bereits verdichteter Frischluft angeordnet ist, wobei der Rückflusskanal in eine Nut (16) einer Ansaugstutzenaufnahme (18) des Verdichters mündet, und an einem Ansaugstutzen (20) des Ansaugrohrs wenigstens eine an die Nut angrenzende Rückflussöffnung (22) hin zu einem Inneren (12) des Ansaugrohrs angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter eines Turboladers, dessen Verdichtungsrohr mit seinem Ansaugrohr über ein Schubumluftventil verbunden ist, sowie einen Turbolader und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Verdichter.
Der Diesel- oder Ottomotor vieler Kraftfahrzeuge weist einen Turbolader auf, bei welchem angesaugte Frischluft über einen vom Abgasstrom angetriebenen Verdichter mit Druck der Brennkammer zugeführt wird, also das eingespritzte Kraftstoffgemisch „aufgeladen” wird. Durch die Aufladung des Kraftstoffgemischs mit unter Druck stehender Frischluft – und den dadurch erhöhten Sauerstoffgehalt – kann bereits bei niedrigen Motordrehzahlen ein hohes Drehmoment bereitgestellt werden, indem der Verbrennungsvorgang befördert wird.
Bei einigen Turbomotoren tritt jedoch das sogenannte „Turboloch” auf, das entsteht, wenn nach einem Gas wegnehmen schnell wieder stark Gas gegeben werden soll. Wenn bei solchen Verdichtern plötzlich Gas weggenommen und damit die Drosselklappe geschlossen wird, entsteht hinter dem Verdichter ein großer Staudruck, der nicht entweichen kann, da der Weg zum Saugrohr mittels der Drosselklappe verschlossen ist. Das entsprechende Aufpumpen des Turboladers sorgt für einen derart starken Gegendruck am Verdichterrad, dass dieses stark abgebremst wird.
Öffnet der Fahrer nun mit erneutem Gas geben plötzlich wieder die Drosselklappe, fällt der Gegendruck sofort stark ab. Trotzdem ist das Verdichterrad des Turboladers bereits abgebremst, so dass es einige Zeit erfordert, bis das durch den Turbolader verstärkte und vom Fahrer erwartete Drehmoment wieder verfügbar ist.
Um das dafür ursächliche Aufpumpen des Turboladers im Schubbetrieb zu vermeiden, wird mittlerweile in dem Verdichter vieler Turbomotoren ein Schubumluftventil (auch Schubabschaltventil, Pop-Off-Ventil oder Schnarrventil genannt) verbaut, welches einen Rückflusskanal zwischen dem Verdichtungsrohr und dem Ansaugrohr des Turboladers bei Schubbetrieb freigeben kann. Mit dem dadurch ausgebildeten Frischluftkreislauf wird ein Abbremsen des Verdichterrades vermieden, so dass auch bei einem erneuten Gas geben sofort der volle Ladungsdruck zur Verfügung steht.
Bei derartigen Verdichtern hat sich allerdings gezeigt, dass die mit hohem Druck durch den Rückflusskanal strömende, zumindest anfangs bereits verdichtete Umgebungsluft ein störendes Strömungsrauschen verursacht, wenn sie wieder in das Ansaugrohr eintritt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist folglich, einen Verdichter eines Turboladers bereit zu stellen, der im Schubbetrieb eine geringere Geräuschentwicklung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter eines Turboladers gelöst, dessen Verdichtungsrohr mit seinem Ansaugrohr über einen Rückflusskanal verbunden ist, in welchem ein Schubumluftventil zur Steuerung des Rückflusses bereits verdichteter Frischluft angeordnet ist. Dabei mündet der Rückflusskanal in eine Nut einer Ansaugstutzenaufnahme des Verdichters, und an einem Ansaugstutzen des Ansaugrohrs ist wenigstens eine an die Nut angrenzende Rückflussöffnung hin zu einem Inneren des Ansaugrohrs angeordnet.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, die im Schubbetrieb bei geöffnetem Schubumluftventil durch den Rückflusskanal zurückfließende Frischluft zuerst umzulenken und/oder zu verteilen, bevor sie in das Ansaugrohr fließen kann. Im Zusammenspiel der Nut der Ansaugstutzenaufnahme und dem darin eingeschobenen Ansaugstutzen kann eine solche Umlenkung und/oder Verteilung vorzugsweise an eine oder mehrere Rückflussöffnungen erfolgen, die im Umfang an einer anderen Stelle angeordnet sind als der Rückflusskanal.
Auch kann eine Reduzierung des Wirkungsgrads des Verdichters vermieden werden, welche ohne die Erfindung am Eintritt des Rückflusskanals aus einseitigen Verwirbelungen vor dem Verdichterrad und damit entstehende Druckverluste und schlechte Centerwerte entstehen kann.
Um die Verteilung des Rückflusses von Frischluft in der Nut zu optimieren, ist diese gemäß einer Weiterbildung entlang des gesamten Umfangs der Ansaugstutzenaufnahme angeordnet. Vorzugsweise ist die Nut dann als Ringnut, vorzugsweise ausgehend von einer inneren Umgangsfläche der Ansaugstutzenaufnahme, ausgebildet. Typischerweise ist eine solche Ringnut bereits in einer Gussform des Verdichters oder des Turboladers vorgesehen, kann aber auch ausgehend von einer zylinderförmigen oder konischen Umfangsfläche spanend entfernt sein.
Um eine einfache und gleichzeitig zuverlässige Aufnahme des Ansaugstutzens in der Ansaugstutzenaufnahme sicher zu stellen, kann gemäß einer alternativen Weiterbildung die Nut auch nur entlang eines Teils des Umfangs der Ansaugstutzenaufnahme angeordnet sein.
Ein unerwünschtes Strömungsrauschen wie bei den eingangs genannten bekannten Verdichtern wird insbesondere durch einen erhöhten Rückflussstrom, einen größeren Druck, eine größere Geschwindigkeit des Rückflusses und/oder durch einen geringen Austrittsquerschnitt begünstigt. Um letzteres zu vermeiden, weist gemäß einer Weiterbildung der Ansaugstutzen, insbesondere im Bereich der Nut, mehr als eine Rückflussöffnung auf, insbesondere zwei, drei oder vier. Diese sind vorteilhafterweise so groß ausgebildet, dass sie die gesamte Öffnung der Nut in der Ansaugstutzenaufnahme entlang einer Längsachse der Verdichters nutzen.
Wenn mehrere Rückflussöffnungen vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise bzgl. des Umfangs des Ansaugstutzens an Stellen mit im Wesentlichen gleichem Druckpotenzial der angesaugten Frischluft bei einem Betrieb des Turboladers angeordnet. Ein sogenanntes „Übersprechen”, bei welchem Luft von einer Rückflussöffnung mit höherem Druckpotential in der Nut zu einer Rückflussöffnung mit niedrigerem Druckpotential fließt, kann damit vermieden werden; ebenso die damit verbundenen Druckverluste.
Um Verwirbelungen bzw. Turbulenzen bei dem Aufeinandertreffen des Rückflussstroms und des Ansaugstroms zu minimieren, weist gemäß einer Weiterbildung der Ansaugstutzen im Bereich der Rückflussöffnung(en) einen größeren Innendurchmesser auf als in einem entlang der Drehachse eines Verdichterrads des Verdichters angrenzenden verdichterradfernen Bereich.
Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem bei einer Weiterbildung der Ansaugstutzen eine Abrisskante, insbesondere eine Strömungsabrisskante, bezüglich einer Hauptansaugrichtung im Ansaugrohr vor der Rückflussöffnung aufweist, durch welche der Frischluftstrom vorzugsweise von der Begrenzung eines Innenquerschnitts des Ansaugstutzens weg gelenkt wird.
Um dem Rückflussstrom kinetische Energie zu entziehen, ist der Rückflusskanal wenigstens teilweise versetzt zu einer Rückflussöffnung angeordnet, insbesondere im Umfang versetzt.
Um eine einfache und/oder kostengünstige Herstellung des Verdichters zu ermöglichen, ist eine Rückflussöffnung mit einer Bohrung in einer Wand des Ansaugstutzens ausgebildet oder bereits in einer Gussform zur Herstellung des Ansaugstutzens vorgesehen.
Um den Zusammenfluss des Rückflussstroms und des Ansaugstroms strömungstechnisch günstiger, insbesondere weniger turbulent, zu gestalten, ist eine Rückflussöffnung wenigstens an einem Teil ihrer radialen Erstreckung offen zu einer verdichterradseitigen Stirnseite des Ansaugstutzens hin ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Turbolader vorgeschlagen, der einen Verdichter im Sinne der Erfindung aufweist. Ebenso wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das einen solchen Turbolader aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen; beispielhafte Ausführungen aus den nachfolgenden Beschreibungen in Zusammenhang mit den Figuren. Diese zeigen im Einzelnen:
1 einen Verdichter gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung in einer teilweise schematisierten Schnittansicht;
2 einen Verdichter gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung in einer teilweise schematisierten Schnittansicht; und
3 die Anordnung von zwei Rückflussöffnungen am Umfang des Ansaugstutzens in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen im Ansaugrohr in einer schematisierten Ansicht.
In 1 ist der Verdichter 1 eines Turboladers 2 mit den den Verdichter 1 umgebenden Komponenten des Turboladers 2 sowie mit einem Teil eines Verdichtungsrohrs 4 einer Verdichtungsseite 6 des Verdichters 1 und einem Teil eines Ansaugrohrs 8 einer Ansaugseite 10 dargestellt. Zwischen einem Inneren 11 des Verdichtungsrohrs 4 und einem Inneren 12 des Ansaugrohrs 8 ist ein Rückflusskanal 14 ausgebildet, welcher in eine Nut 16 einer Ansaugstutzenaufnahme 18 des Verdichters 1 mündet.
In der Ansaugstutzenaufnahme 18 ist ein Ansaugstutzen 20 aus einem Kunststoffmaterial aufgenommen, der zwei Rückflussöffnungen 22.1 und 22.2 aufweist, über welche die Nut 16 mit dem Inneren 12 des Ansaugrohrs 8 verbunden ist. An einem inneren Umfang des Ansaugstutzens 20 ist zudem eine Abrisskante 24 angeordnet.
Am Verdichter 1 ist auch ein Schubumluftventil 30 mit einer Ventilklappe 32 angeordnet, welche in einem Verdichterbetrieb das Innere 11 des Verdichtungsrohrs 4 und den Rückflusskanal 14 gasdicht gegeneinander abdichtet Der Verdichter 1 weist zudem ein Verdichterrad 26 auf, welches zu einer Drehung um die Längsachse L im Turbolader 2 gelagert ist und durch ein nicht dargestelltes Turboladerrad in der Abgasabführung antreibbar ist.
Im Betrieb des Turboladers 2 wird Frischluft aus der Umgebung durch den mittels des Verdichterrades erzeugten Unterdruck in das Innere 12 des Ansaugrohrs 8 angesaugt und am Verdichterrad 26 verdichtet – d. h. unter höherem Druck – in die Schnecke 28 und von dort in das Innere 11 des Verdichtungsrohrs 4 eingebracht.
Damit sich bei geschlossener Drosselklappe des Turbomotors (nicht dargestellt) im Verdichtungsrohr 4 durch eine immer fortlaufende Verdichtung mittels des Verdichterrades 26 kein ausreichend hoher Druck für ein unerwünschtes Abbremsen des Verdichterrads 26 ausbildet, kann im Schubbetrieb das Innere 11 des Verdichtungsrohrs 4 mittels des Schubumluftventils 30 über den Rückflusskanal 14 mit dem Inneren 12 des Ansaugrohrs 8 kurzgeschlossen werden. Dazu wird das Ventilelement 32 in eine offene Betriebsstellung verfahren, in welcher es die Verbindung zwischen dem Inneren 11 des Verdichtungsrohrs 4 und dem Rückflusskanal 14 freigibt.
Dabei entsteht ein Frischluftkreislauf, welcher vom Ansaugstutzen 20 über das Verdichterrad 26, die Schnecke 28, das Verdichtungsrohr 4, den Rückflusskanal 14, die Nut 16 und die Rückflussöffnungen 22 wieder hin zum Ansaugstutzen 20 verläuft.
Die Ansteuerung des Schubumluftventils 30 bzw. seines Ventilelements 32 kann auf verschiedene, an sich dem Fachmann bekannte, Weise erfolgen, beispielsweise durch eine Kopplung an die Steuerung der Drosselklappe oder durch eine Ansteuerung in Abhängigkeit von einem absoluten Druckwert im Inneren 11 des Verdichtungsrohrs 4 oder in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen dem Verdichtungsrohr 4 und dem Ansaugrohr 8.
Wenn bei einem erhöhten Druck im Inneren 11 des Verdichtungsrohrs 4 das Ventilelement 32 geöffnet wird, strömt mit hoher kinetischer Energie (entsprechend der großen Druckdifferenz zwischen dem Ansaugrohr 8 und dem Verdichtungsrohr 4) bereits verdichtetete Frischluft über den Rückflusskanal 14 in die Nut 16. Diese ist als Ringnut an einem umlaufenden Umfangsabschnitt der Ansaugstutzenaufnahme 18 ausgebildet.
Die Rückflussöffnungen 22.1 und 22.2 sind bezüglich des Eintrittspunkts des Rückflusskanals 14 in die Nut 16 umfangsmäßig versetzt angeordnet, so dass auf jeden Fall eine, vorzugsweise turbulente, Umlenkung des Rückflussstroms an einer äußeren Wand des Ansaugstutzens 20 erfolgt. Der Rückflussstrom kann sich dabei entlang des gesamten Umfangs der Ansaugstutzenaufnahme 18 in der Nut 16 verteilen und anschließend an den Rückflussöffnungen 22, insbesondere mit einer geringeren kinetischen Energie, in das Innere 12 des Ansaugrohrs 8 austreten.
Dadurch treffen die aus den Rückflussöffnungen 22 austretenden Rückflussströme und der Ansaugstrom im Ansaugrohr zum Verdichterrad hin mit geringerer kinetischer Energie aufeinander, so dass ein geringeres Maß an Strömungsrauschen auftritt.
Unterstützt wird diese geräuscharme Vereinigung der Luftströme durch die Abrisskante 24, welche am Ansaugstutzen 20 derart angeordnet ist, dass der Ansaugluftstrom, bezogen auf die Drehachse des Verdichterrades 26, radial nach Innen abgeleitet wird, so dass im Bereich der Rückflussöffnungen 22 an der inneren Umfangsoberfläche des Ansaugstutzens eine verhältnismäßig geringe Luftströmung vorliegt. Dies kann auch zu einer Geräuschminderung beitragen.
In 2 ist ein Verdichter 1 gezeigt, der sich von dem gemäß 1 insbesondere dadurch unterscheidet, dass er anstatt einer Abrisskante 24 zur Unterstützung einer möglichst geräuscharmen Vereinigung der unterschiedlichen Luftströme Rückflussöffnungen 122.1 und 122.2 aufweist, die wenigstens an einem Teil ihrer radialen Erstreckung offen zu einer verdichterradseitigen Stirnseite 150 des Ansaugstutzens 20 hin ausgebildet sind, d. h. mit entsprechenden Öffnungen 123.1 und 123.2 hin zur Stirnseite 150.
In 3 ist schematisch ein Querschnitt durch den Ansaugstutzen 20 dargestellt. Die Linien P1 bis P7 stellen unterschiedliche Isobaren im Druckprofil des Luftansaugstroms im Inneren 12 des Ansaugrohrs 8 auf Höhe der Rückflussöffnungen 22.1 und 22.2 dar. Durch zwei benachbarte Isobarenlinien P, beispielsweise P1 und P2, wird jeweils ein Bereich ähnlichen bzw. im Wesentlichen gleichen Drucks im Ansaugrohr 8 ausgewiesen.
In den Ausführungen des Verdichters 1 gemäß 1 oder 2 sind die Rückflussöffnungen 22.1. und 22.2 in einem solchen Bereich ähnlichen bzw. im Wesentlichen gleichen Drucks angeordnet. Dadurch kann ein Übersprechen zwischen den beiden Öffnungen 22, bei welchem Luft in die Ringnut 16 an der einen Öffnung 22 einströmen und an der anderen Öffnung 22 mit geringerem Druckpotential wieder ausströmen würde, verhindert werden; ebenso damit verbundene Druckverluste vor dem Verdichierrad.
Durch eine entsprechende Gestaltung der Ansauggeometrie kann in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel natürlich auch ein Ansaugstutzen mit mehr als zwei Rückflussöffnungen verbaut werden, wenn alle im Wesentlichen das gleiche Druckpotential haben.

Claims

Verdichter (1) eines Turboladers (2), dessen Verdichtungsrohr (4) mit seinem Ansaugrohr (8) über einen Rückflusskanal (14) verbunden ist, in welchem ein Schubumluftventil (30) zur Steuerung des Rückflusses bereits verdichteter Frischluft angeordnet ist, wobei – der Rückflusskanal in eine Nut (16) einer Ansaugstutzenaufnahme (18) des Verdichters mündet, und – an einem Ansaugstutzen (20) des Ansaugrohrs wenigstens eine an die Nut angrenzende Rückflussöffnung (22) hin zu einem Inneren (12) des Ansaugrohrs angeordnet ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei die Nut entlang des gesamten Umfangs der Ansaugstutzenaufnahme angeordnet ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Nut als Ringnut ausgehend von einer inneren Umfangsfläche der Ansaugstutzenaufnahme ausgebildet ist.
Verdichter gemäß Anspruch 1, wobei die Nut entlang eines Teils des Umfangs der Ansaugstutzenaufnahme angeordnet ist.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ansaugstutzen mehr als eine Rückflussöffnung (22.1, 22.2) aufweist.
Verdichter gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Rückflussöffnungen im Umfang des Ansaugstutzens an Stellen mit im Wesentlichen gleichem Druckpotenzial der angesaugten Frischluft bei einem Betrieb des Turboladers angeordnet sind.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ansaugstutzen im Bereich der Rückflussöffnung einen größeren Innendurchmesser aufweist als in einem entlang der Drehachse (L) eines Verdichterrades (26) des Verdichters angrenzenden, verdichterradfernen Bereich.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Ansaugstutzen eine Abrisskante (24) bezüglich einer Hauptansaugrichtung im Ansaugrohr vor der Rückflussöffnung aufweist.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rückflusskanal wenigstens teilweise versetzt zu einer Rückflussöffnung angeordnet ist.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Rückflussöffnung mit einer Bohrung in einer Wand des Ansaugstutzens ausgebildet ist.
Verdichter gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Rückflussöffnung wenigstens an einem Teil ihrer radialen Erstreckung offen zu einer verdichterradseitigen Stirnseite des Ansaugstutzens hin ausgebildet ist.
Turbolader (2) mit einem Verdichter (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit einem Turbolader (2) gemäß Anspruch 12.