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Die Erfindung betrifft einen Verdichter und einen Abgasturbolader sowie eine Brennkraftmaschine, jeweils mit einem solchen Verdichter.
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Es ist bekannt, Brennkraftmaschinen, die beispielsweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, aufzuladen, um die spezifische Leistung zu erhöhen und den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu senken.
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Weit verbreitet ist eine Aufladung von Brennkraftmaschinen mittels eines oder mehrerer Abgasturbolader. Diese umfassen eine Turbine, die von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine ausgestoßen wurde, angeströmt und dadurch angetrieben wird. Die Turbine treibt über eine Welle einen Verdichter an, der in einen Frischgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und das Frischgas verdichtet. Alternativ kann ein solcher Verdichter auch mittels eines anderen Antriebs, beispielsweise von dem Verbrennungsmotor selbst oder von einem elektrischen Antriebsmotor, angetrieben werden.
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Durch die Aufladung kann die Menge des in die Brennräume des Verbrennungsmotors eingebrachten Frischgases und damit die Menge des in einem Arbeitsspiel in dem Brennraum verbrennbaren Kraftstoffs erhöht werden.
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Die Verdichter von Abgasturboladern sind regelmäßig als Strömungsverdichter ausgebildet, wobei fast ausschließlich zentrifugale Verdichterlaufräder zum Einsatz kommen, die axial angeströmt und radial abgeströmt werden (Radialverdichter).
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Das Kennfeld eines Strömungsverdichters weist Bereiche auf, in denen ein stabiler Betrieb physikalisch nicht möglich ist. Zum einen wird das Verdichterkennfeld durch die sogenannte Pumpgrenze begrenzt, die den Übergang vom stabilen zum instabilen Betriebsbereich kennzeichnet. Dabei bedeutet instabil, dass, ausgelöst durch einen Strömungsabriss, der in der Regel am Verdichterlaufrad erfolgt, die Förderung des Gasstroms periodisch unterbrochen und wieder aufgebaut wird. Die zweite Grenze im Verdichterkennfeld ist die sogenannte Stopfgrenze, die dem maximal erreichbaren Volumenstrom des Gases durch den Verdichter entspricht. Dieser wird in der Regel durch den Querschnitt am Laufradeintritt begrenzt. Erreicht die Luft beim Eintritt in das Verdichterlaufrad Schallgeschwindigkeit, so ist in der Regel keine weitere Erhöhung des Gasvolumenstroms mehr möglich.
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Als sogenannte kennfeldstabilisierende Maßnahme (KSM) ist es bekannt, in Verdichtern einen Rezirkulationskanal vorzusehen (vgl. beispielsweise
DE 42 13 047 A1 oder
EP 2 163 769 A2 ). Hierbei handelt es sich um einen ringförmigen Kanal, der einen Einlasskanal des Verdichters und in der Regel auch einen ersten Abschnitt des Strömungsraums, innerhalb dessen das Verdichterlaufrad des Verdichters angeordnet ist, umgibt und der eingangsseitig mit dem Einlasskanal und ausgangsseitig mit dem Strömungsraum verbunden ist. Mittels eines Rezirkulationskanals kann das Kennfeld eines Verdichters vergrößert werden. Bei einem relativ geringen Volumenstrom des Gases strömt nämlich ein Teil des Gases in Folge eines sich einstellenden Überdrucks in der im Bereich des Verdichterlaufrads gelegenen Mündung des Rezirkulationskanals im Vergleich zu der (bezüglich der Hauptströmungsrichtung) stromauf davon liegenden Mündung durch den Rezirkulationskanal zurück. Das dort in der Regel radial in den Hauptströmungskanal eintretende Gas führt zu einer Einschnürung der Hauptströmung des Gases mit einer daraus folgenden Beschleunigung. Dadurch wird ein frühzeitiges Abreißen der Strömung verhindert und somit die Pumpgrenze hin zu kleineren Volumenströmen verschoben. Eine Verschiebung der Stopfgrenze hin zu höheren Werten wird dagegen durch die durch den Rezirkulationskanal bewirkte Vergrößerung des Gesamtströmungsquerschnitts bewirkt. Das den Verdichter durchströmende Gas verteilt sich somit auf eine größere Strömungsfläche, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit reduziert. Bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Stopfgrenze entspricht die Strömungsrichtung des in dem Rezirkulationskanal strömenden Gases derjenigen des in dem Einlasskanal strömenden Gases. Im Gegensatz dazu sind die Strömungsrichtungen der Gasströmungen bei einem Betrieb des Verdichters in der Nähe der Pumpgrenze entgegengesetzt gerichtet. Dabei ist der Übergang gleitend, wobei ein relativ großer Bereich im Verdichterkennfeld dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druck im Bereich der beiden Mündungen des Rezirkulationskanal mehr oder weniger gleich ist. Dann findet dementsprechend auch keine relevante Strömung durch den Rezirkulationskanal statt; dieser ist quasi inaktiv.
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Bei heutigen Brennkraftmaschinen wird eine geschlossene Motorgehäuseentlüftung eingesetzt, um gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte zu erreichen. Dabei wird Abgas, das bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in Brennräumen des Verbrennungsmotors erzeugt wurde und das insbesondere über die Ringspalte, die bei Hubkolbenmotoren zwischen den Außenseiten der Kolben und den Innenseiten der die Kolben führenden Zylinder ausgebildet sind, in ein Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors gelangt sind (so genannte Blow-by-Gase), abgesaugt und in den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine geführt. Um hierfür das erforderliche Druckgefälle zu gewährleisten, erfolgt die Rückführung der Blow-by-Gas bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen in einen Abschnitt stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Frischgases) des Verdichters.
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Über eine solche Motorgehäuseentlüftung können neben Gasen auch Flüssigkeiten und insbesondere Wasser und Schmieröl in nicht unerheblichen Mengen in einen Verdichter eingetragen werden. Diese Flüssigkeiten können insbesondere dann zu Problemen führen, wenn sich diese in einem Abschnitt zunächst ansammeln und dann aufgrund veränderter Betriebsbedingungen in größeren Mengen in Richtung des Verdichterlaufrads mitgerissen werden. Besonders problematisch kann sein, wenn solche Flüssigkeitsansammlungen aufgrund entsprechend niedriger Umgebungstemperaturen gefroren sind und folglich als Festkörperpartikel mitgerissen werden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für einen Verdichter mit einem Rezirkulationskanal eine Ansammlung von Flüssigkeiten in dem Rezirkulationskanal, die insbesondere Folge einer den Rezirkulationskanal einbindenden Motorgehäuseentlüftung sein kann, auf konstruktiv möglichst einfache Weise zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verdichters gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Abgasturbolader mit einem solchen Verdichter sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Verdichter sind Gegenstände der Patentansprüche 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters und damit des erfindungsgemäßen Abgasturboladers und/oder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Strömung des den Einlasskanal eines Verdichters durchströmenden Gases und gegebenenfalls einen vorliegenden Unterdruck im Einlasskanal im Vergleich zu dem Rezirkulationskanal auszunutzen, um beginnende Ansammlungen von Flüssigkeiten durch einen hierfür vorgesehenen Überleitkanal abzusaugen.
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Dementsprechend betrifft die Erfindung einen Verdichter mit einem Gehäuse, das einen Strömungsraum, innerhalb dessen ein Verdichterlaufrad drehbar gelagert ist, und einen Einlasskanal, der einen Verdichtereinlass mit dem Strömungsraum verbindet, ausbildet, wobei ein Abschnitt des Einlasskanal (insbesondere koaxial) von einem zumindest teilringförmigen (vorzugsweise vollumfänglich ringförmigen) Rezirkulationskanal umgeben ist, der eingangsseitig (bezogen auf die Richtung der Durchströmung des Verdichters insgesamt mittels des zu verdichtenden Gases) in den Einlasskanal und ausgangsseitig in den Strömungsraum übergeht, wobei zudem mindestens ein Überleitkanal vorgesehen ist, der sich durch eine den Einlasskanal von dem Rezirkulationskanal separierende Wandung zumindest bis in den Rezirkulationskanal hinein erstreckt.
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Der ausgangsseitige Übergang des Rezirkulationskanals in den das Verdichterlaufrad aufnehmenden Strömungsraum erfolgt vorzugsweise stromab der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads, wie dies für eine Vielzahl von Rezirkulationskanälen vorgesehen ist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Rezirkulationskanal unmittelbar in die Eintrittsebene des Verdichterlaufrads mündet, wie dies beispielsweise aus der bislang unveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung 10 2015 209 704 bekannt ist (Der dortige periphere Strömungsabschnitt kann funktional als Rezirkulationskanal angesehen werden).
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Als „Eintrittsebene” des Verdichterlaufrads wird dabei die dem Einlass des Verdichters nächstgelegene, senkrecht zur Rotationsachse des Verdichterlaufrads ausgerichtete Ebene verstanden, die von Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads definiert wird, indem zumindest ein punktförmiger Abschnitt eines, mehrerer oder aller der Eintrittskanten dieser Laufradschaufeln innerhalb dieser Ebene angeordnet ist/sind.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst neben einem erfindungsgemäßen Verdichter zumindest noch eine Turbine, die ein in einem Gehäuse drehbar gelagertes Turbinenlaufrad aufweist, wobei das Turbinenlaufrad drehantreibend, insbesondere über eine einfache Welle, mit dem Verdichterlaufrad verbunden ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor (vorzugsweise Diesel- oder Ottomotor), einen Frischgasstrang, über den Frischgas einem oder mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors zuführbar ist, einen Abgasstrang, über den Abgas, das durch eine Verbrennung eines Gemisches aus den Brennräumen zugeführtem Kraftstoff und Frischgas entstanden ist, abführbar ist, sowie einen in den Frischgasstrang integrierten erfindungsgemäßen Verdichter oder einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, wobei der Verdichter in den Frischgasstrang und die Turbine, soweit vorhanden, in den Abgasstrang integriert ist/sind. Alternativ oder ergänzend zu einem Antrieb des Verdichters mittels einer Turbine eines Abgasturboladers kann auch ein Antrieb mittels einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und/oder mittels eines separaten Antriebsmotors, der insbesondere elektromotorisch ausgebildet sein kann, vorgesehen sein.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters kann vorgesehen sein, dass der Rezirkulationskanal mit einem von dem Gehäuse ausgebildeten Hohlraum verbunden ist. Ein solcher Hohlraum kann insbesondere als Maßnahme zum Geringhalten des Gewichts des Verdichters vorgesehen sein, in dem die Wandstärken des Gehäuses möglichst belastungsgerecht ausgelegt werden und relativ große Wandstärken, die für eine ausreichende Betriebsfestigkeit des Verdichters, nicht erforderlich sind, vermieden werden. Bei einem solchen Verdichter kann die Gefahr einer ungewünschten Ansammlung von Flüssigkeiten insbesondere auch in einem solchen Hohlraum gegeben sein, so dass in einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen sein kann, dass sich der Überleitkanal bis in den Hohlraum hinein erstreckt.
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Als „Hohlraum” wird erfindungsgemäß ein radial (bezogen auf die Rotationsachse des Verdichterlaufrads) außen bezüglich des Rezirkulationskanals liegender von dem Gehäuse ausgebildeter Freiraum verstanden, der mit dem Rezirkulationskanal verbunden ist und bezüglich des Rezirkulationskanals insbesondere auch einen oder mehrere hinterschnittige Abschnitte umfasst, in dem/denen der Hohlraum (in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse des Verdichterlaufrads) mittels einer Wandung von dem Rezirkulationskanal separiert ist.
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Es konnte festgestellt werden, dass mittels eines solchen Hohlraums nicht unerhebliche Mengen an Material, aus dem das Gehäuse ausgebildet ist, eingespart werden können, wobei sich die Funktionalität des Rezirkulationskanals als kennfeldstabilisierende Maßnahme (KSM) trotz einer Verbindung zu dem Hohlraum nicht oder nicht in einem relevanten Maße negativ beeinflusst wird.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verdichter mit einem solchen Hohlraum kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das Gehäuse des Verdichters mehrteilig ausgebildet ist, wobei der Rezirkulationskanal und/oder der Hohlraum von sowohl einem ersten Gehäuseteil als auch einem zweiten Gehäuseteil begrenzt sind. Dadurch kann sich insbesondere eine Herstellbarkeit eines solchen Verdichters vereinfachen.
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Zur Erzielung einer möglichst effektiven Absaugung einer sich ausbildenden Ansammlung von Flüssigkeiten kann in einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verdichters vorgesehen sein, dass der Überleitkanal in dem Rezirkulationskanal oder in dem Hohlraum in einem Abschnitt endet, der in einer vorgesehen Betriebslage des Verdichters den oder einen von mehreren tiefstgelegenen Abschnitten darstellt. Insbesondere bei einer Ausgestaltung des Rezirkulationskanals und/oder des Hohlraums, bei dem sich mehrere voneinander separierte Abschnitte ergeben, die infolge einer relativ tiefen Lage zu Ansammlungen von Flüssigkeiten führen können, kann für einen erfindungsgemäßen Verdichter in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, mehrere Überleitkanäle vorzusehen (die gegebenenfalls und insbesondere für die Mündung in den Einlasskanal auch abschnittsweise zusammengeführt sein können), um jeweils mittels mindestens eines Überleitkanals beginnende Ansammlungen von Flüssigkeiten in mehreren oder sämtlichen dieser Abschnitte abzusaugen.
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Ebenfalls zur Erzielung einer möglichst effektiven Absaugung einer sich ausbildenden Ansammlung von Flüssigkeiten in dem Rezirkulationskanal oder in dem Hohlraum kann vorgesehen sein, dass der Überleitkanal in einem Abstand < 1 mm, vorzugsweise < 0,5 mm zu einer Wandung des Rezirkulationskanals oder des Hohlraums endet. Gleichzeitig sollte dabei vorgesehen sein, dass zwischen dem entsprechenden Ende des Überleitkanals und der Wandung des Rezirkulationskanals oder des Hohlraums ein ausreichend großer Spalt vorgesehen ist, so dass ein Eintreten von Flüssigkeiten in den Überleitkanal gewährleistet ist. Es besteht jedoch grundsätzlich auch die Möglichkeit, den Überleitkanal bis zu der entsprechenden Wandung zu führen und ein Eintreten von Flüssigkeiten in diesen über eine oder mehrere in die diesen begrenzenden Wandungen eingebrachte Eintrittsöffnungen zu gewährleisten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verdichters, die sich insbesondere durch eine vorteilhafte Herstellbarkeit auszeichnen kann, kann vorgesehen sein, dass der Überleitkanal in zumindest einem Abschnitt als Kanalrohr ausgebildet ist, das als (von dem Gehäuse) separates Bauteil ausgebildet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeiten, das Kanalrohr abschnittsweise oder vollständig durch eine entsprechende Ausgestaltung von dem Gehäuse selbst ausbilden zu lassen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung eines solchen erfindungsgemäßen Verdichters kann dann noch vorgesehen sein, dass das Kanalrohr in eine Vertiefung oder eine Durchgangsöffnung einer den Einlasskanal von dem Rezirkulationskanal separierenden Wandung ragt. Für eine Herstellung eines solchen erfindungsgemäßen Verdichters kann demnach vorgesehen sein, dass das Kanalrohr in die entsprechende eine Vertiefung oder Durchgangsöffnung in der Wandung eingesteckt und darin gegen ein Lösen gesichert wird. Eine solche Sicherung kann auf beliebige Weise, insbesondere kraftschlüssig (beispielsweise mittels einer klemmend wirkenden Passung), formschlüssig (beispielsweise mittels einer Gewindeverbindung) und/oder stoffschlüssig (beispielsweise mittels einer Klebe-, Löt- und/oder Schweißverbindung) erfolgen.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der erfindungsgemäße Verdichter als Radialverdichter ausgebildet ist, weil insbesondere bei einem solchen Radialverdichter eine kennfeldstabilisierende Maßnahme mittels eines Rezirkulationskanals in vorteilhafter Weise realisiert werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann zudem insbesondere bei einem solchen Verdichter vorteilhaft umgesetzt werden, bei dem in den Rezirkulationskanal und/oder in den Hohlraum und/oder einen Abschnitt des Einlasskanals stromauf des Rezirkulationskanals ein Anschluss für eine Motorgehäuseentlüftung mündet, weil mittels einer solchen Motorgehäuseentlüftung Flüssigkeiten und insbesondere Wasser und Schmieröl in relevanten Mengen in den Verdichter und konkret in den Rezirkulationskanal und/oder in den mit diesem verbunden Hohlraum eingebracht werden können.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem solchen Verdichter ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorgehäuseentlüftung mit dem dazugehörigen Einlass des Verdichters verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich zu einer Mündung eines Anschlusses für eine Motorgehäuseentlüftung in einen Abschnitt des Einlasskanals stromauf des Rezirkulationskanals kann auch eine Mündung in eine stromauf des Verdichters angeordnete Komponente des Frischgasstrangs vorgesehen sein.
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Es besteht auch die Möglichkeit beziehungsweise die Gefahr, Flüssigkeiten in Form von Kondensat mittels einer (Niederdruck-)Abgasrückführung in einen Verdichter einzubringen. Demnach kann alternativ oder ergänzend bei einem erfindungsgemäßen Verdichter auch ein Einlass für eine solche Abgasrückführung vorgesehen sein, der insbesondere in den Rezirkulationskanal und/oder in den Hohlraum münden kann. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem entsprechenden Verdichter kann dann (zudem) eine Niederdruck-Abgasrückführung umfassen, die mit dem entsprechenden Einlass des Verdichters verbunden ist
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Mittels einer Niederdruck-Abgasrückführung wird Abgas, das stromab einer Turbine eines Abgasturboladers entnommen wurde, in einen Abschnitt des Frischgasstrangs überführt, der stromauf des Verdichterlaufrads gelegen. Dabei kann eine Einleitung des rückgeführten Abgases möglichst nahe vor dem Verdichterlaufrad und somit insbesondere in dem Rezirkulationskanal und/oder dem damit verbundenen Hohlraum vorteilhaft sein.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Eine Verwendung in anderen Kraftfahrzeugen, beispielsweise schienengebundenen Kraftfahrzeugen oder Schiffen, ist ebenfalls möglich.
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Die unbestimmten Artikel („ein”, „eine”, „einer” und „eines”), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
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2: einen perspektivischen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer ersten Ausgestaltung;
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3: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Verdichters gemäß der 2 von vorne;
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4: einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines Teils eines erfindungsgemäßen Verdichters in einer zweiten Ausgestaltung; und
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5: eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Teils des Verdichters gemäß der 4 von vorne.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 10, der eine Mehrzahl von Zylindern 12 ausbildet. Die Zylinder 12 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume, in denen Frischgas (Luft) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung 32 (Motorsteuerung), mittels Injektoren 30 direkt in die Brennräume eingespritzt. Das Verbrennen des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches führt zu zyklischen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen der Kolben, die wiederum in bekannter Weise über nicht dargestellte Pleuel auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird. Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 10 über einen Frischgasstrang zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung 14 aus der Umgebung angesaugt, in einem Luftfilter 16 gereinigt und anschließend in einen erfindungsgemäßen Verdichter 18, der Teil eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Verdichters 18 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 20 abgekühlt und den Brennräumen zugeführt. Der Antrieb des Verdichters 18 erfolgt mittels einer Turbine 22 des Abgasturboladers, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 entsteht, wird über den Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 10 abgeführt und durchströmt dabei die Turbine 22. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads (nicht dargestellt), das über eine Welle 24 drehfest mit einem Verdichterlaufrad 26 (in der 1 nicht dargestellt) des Verdichters 18 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads wird somit auf das Verdichterlaufrad 26 übertragen.
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Um im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit unterschiedlichen Lasten und unterschiedlichen Drehzahlen eine möglichst optimale Nutzung der Enthalpie des Abgases zur Erzeugung von Verdichtungsleistung mittels des Abgasturboladers realisieren zu können, kann die Turbine 22 des Abgasturboladers optional (insbesondere bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors als Dieselmotor) eine mittels der Steuervorrichtung 32 ansteuerbare Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG) 34 aufweisen. Diese kann in bekannter Weise eine Mehrzahl von in einem Einlass der Turbine 22 angeordnete Leitschaufeln (nicht dargestellt) umfassen, die individuell drehbar ausgebildet sind, wobei diese gemeinsame mittels einer Verstellvorrichtung (nicht dargestellt) verstellbar sind. In Abhängigkeit von den Drehstellungen der Leitschaufeln verengen diese den freien Strömungsquerschnitt in dem Einlass der Turbine 22 mehr oder weniger und beeinflussen zudem den Abschnitt der primären Anströmung des Turbinenlaufrads und die Ausrichtung dieser Anströmung.
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Stromab des Verdichters 18 ist in die Ladeluftstrecke, d. h. den Abschnitt des Frischgasstrangs zwischen dem Verdichter 18 und dem Verbrennungsmotor 10, eine ebenfalls mittels der Steuervorrichtung 32 ansteuerbare Regelklappe 28 integriert. Bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 10 als Ottomotor kann es sich bei dieser Regelklappe 28 um eine Drosselklappe (mit bekannter Funktionalität) handeln. Bei einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors 10 als Dieselmotor kann die primäre Funktion der Regelklappe 28 darin bestehen, kurzfristig nach einem Beenden des Betriebs des Dieselmotors die Ladeluftstrecke zu verschließen, wodurch ein Nachströmen von bereits verdichtetem Frischgas in die Brennräume des Dieselmotors vermieden werden kann. Dadurch soll ein ungewolltes Nachlaufen des Dieselmotors infolge von Selbstzündungen von Kraftstoffresten in den Brennräumen im Beisein von nachgeströmtem Frischgas verhindert werden.
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Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Motorgehäuseentlüftung 38, mittels der Blow-by-Gase aus einem oder mehreren Hohlräumen, beispielsweise einem von einem Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 10 ausgebildeten Kurbelwellenraum, abgesaugt und stromauf des Verdichterlaufrads 26 in den Frischgasstrang überführt werden können. In die Motorgehäuseentlüftung 38 kann eine Abscheidevorrichtung (nicht dargestellt) integriert sein, um in den Blow-by-Gasen enthaltene Flüssigkeiten und Feststoffe zu einem Großteil zurückzuhalten.
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Die 2 und 3 zeigen in verschiedenen Ansichten einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen (Radial-)Verdichter 18 gemäß einer ersten Ausgestaltung, wie er beispielsweise als Teil eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers in einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 zum Einsatz kommen kann.
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Der Verdichter 18 weist einen mehrteiliges Gehäuse 36 auf, das einen ersten Gehäuseteil 40, einen zweiten Gehäuseteil 42 und einen dritten Gehäuseteil 44 umfasst. Das Gehäuse 36 des Verdichters ist als ein Teil eines Gesamtgehäuses eines Abgasturboladers vorgesehen, wobei in der 2 ein Abschnitt 46 des Gesamtgehäuses des Abgasturboladers sichtbar ist, in dem eine das Verdichterlaufrad 26 mit dem Turbinenlaufrad der Turbine 22 des Abgasturboladers verbindende Welle gelagert ist. Das Gehäuse 36 des Verdichters 18 bildet einen Strömungsraum 48 aus, innerhalb dessen das Verdichterlaufrad 26 drehbar gelagert ist. Einlassseitig ist der Strömungsraum 48 durch eine Eintrittsebene begrenzt, in der die Eintrittskanten 50 sämtlicher Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads 26 angeordnet sind. Primär über einen ebenfalls von dem Gehäuse 36 und konkret dem ersten Gehäuseteil 40 ausgebildeten Einlasskanal 52 kann Frischgas von einem Verdichtereinlass 54 zu dem Strömungsraum 48 und damit zu dem Verdichterlaufrad 26 geführt werden, indem dieses insbesondere durch einen rotierenden Antrieb des Verdichterlaufrads 26 angesaugt wird. Auslassseitig wird der Strömungsraum 48 von einer um Austrittskanten 56 der Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads 26 umlaufenden „Austrittsebene” begrenzt. Dort schließt sich ein ebenfalls um die Austrittskanten 56 der Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads 26 umlaufender Diffusorraum 58 und daran anschließend eine Verdichtervolute 60 an. Aus der Verdichtervolute 60 geht eine Verdichterausrass (nicht sichtbar) ab.
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Der erste Gehäuseteil 40 umfasst einen rohrförmigen Innenabschnitt 62, dessen annähernd zylindrische Innenseite den Einlasskanal 52 des Verdichters 18 begrenzt. Weiterhin umfasst der erste Gehäuseteil 40 einen den Innenabschnitt 62 umgebenden Außenabschnitt 64, der ebenfalls eine in etwa zylindrische Innenseite aufweist, die zu dem Innenabschnitt 62 insgesamt (und auch zu einer Rotationsachse 66 des Verdichterlaufrads) koaxial angeordnet ist. Da der Durchmesser der zylindrischen Innenseite des Außenabschnitts 64 größer als die Außenseite des Innenabschnitts 62 ist, ist zwischen diesen ein ringförmiger Spalt ausgebildet, der lediglich von einigen Stützelementen 68 unterbrochen ist, die dazu dienen, den Innenabschnitt 62 innerhalb des Außenabschnitts 64 koaxial zu positionieren und diese miteinander zu verbinden. Der ringförmige Spalt ist Teil eines Rezirkulationskanals 70 des Verdichters 18, der den Einlasskanal 52 beziehungsweise denjenigen Abschnitt davon, der von dem Innenabschnitt 62 des ersten Gehäuseteils 40 begrenzt wird, ringförmig umgibt. Der Rezirkulationskanal 70 mündet eingangsseitig in den Einlasskanal 52, wozu die vorderseitige Stirnseite 72 des Innenabschnitts 62 relativ zu der vorderseitigen Stirnseite 74 des Außenabschnitts 64, die als Kontaktfläche eines Verbindungsflansches, über den der Verdichter 18 einlassseitig an eine weitere Komponente eines Frischgasstrangs anschließbar ist, in Richtung des Verdichterlaufrads 26 zurückversetzt angeordnet ist. Ausgangsseitig mündet der Rezirkulationskanal 70 mittels eines Mündungskanals 76 in einen Abschnitt des das Verdichterlaufrad 26 aufnehmenden Strömungsraums 48, der ein Stück weit stromab der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 26 angeordnet ist. Dabei ist der Mündungskanal 76 als ringförmig umlaufender Spalt zwischen einer rückseitigen Stirnfläche 78 des Innenabschnitts 62 des ersten Gehäuseteils 40 und einer Stirnfläche 80 des zweiten Gehäuseteils 42 ausgebildet.
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Innerhalb des zweiten Gehäuseteils 42 ist eine geometrische komplex geformte Vertiefung ausgebildet, die primär dazu dient, die Wandstärken der Wandungen des Gehäuses 36, die den Rezirkulationskanal 70, den Strömungsraum 48, den Diffusorraum 58 und die Verdichtervolute 60 begrenzen, unter Berücksichtigung einer ausreichenden Betriebsfestigkeit möglichst klein zu dimensionieren, wodurch das Gewicht des Verdichters 18 gering gehalten werden kann. In Verbindung mit dem ersten Gehäuseteil 40 stellt diese Vertiefung in dem zweiten Gehäuseteil 42 einen Hohlraum 82 dar, der in einem ringförmig umlaufenden Abschnitt mit dem Rezirkulationskanal 70 (fluidleitend) verbunden ist. Dabei umfasst der Hohlraum 82 auch mehrere hinterschnittige Abschnitte 84, die jeweils mittels einer Wandung von dem Rezirkulationskanal 70 separiert sind.
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In den Rezirkulationskanal 70 mündet an einer in den 2 und 3 nicht sichtbaren Stelle ein Einlass, an den eine Motorgehäuseentlüftung 38 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß beispielsweise der 1 anschließbar ist. Die entsprechende Mündung der Motorgehäuseentlüftung 38 kann auch stromauf des Rezirkulationskanals 70 in ein nicht dargestelltes Bauteil des Frischgasstrangs münden. Blow-by-Gase, die mittels einer solchen Motorgehäuseentlüftung 38 in den Frischgasstrang überführt werden, können trotz einer Abscheidung an einer Abscheidevorrichtung noch relevante Mengen an Flüssigkeiten und insbesondere an Wasser und Schmieröl enthalten, die sich an den den Rezirkulationskanal 70 und den Hohlraum 82 begrenzenden Wandungen niederschlagen können. Dies könnte infolge eines schwerkraftbedingten Zusammenflusses der Flüssigkeitströpfchen zu einer größeren Ansammlung von Flüssigkeiten insbesondere in einem Abschnitt 86 des Hohlraums 82 führen, der in der vorgesehenen Betriebslage des Verdichters 18 am tiefsten gelegen ist. Um eine solche Ansammlung von Flüssigkeiten zu vermeiden umfasst der Verdichter 18 erfindungsgemäß einen Überleitkanal 88, der von einem Kanalrohr 90 ausgebildet ist, das mit einem seiner Endabschnitte in einer senkrecht und insbesondere radial bezüglich der Rotationsachse 66 des Verdichterlaufrads 26 angeordneten Durchgangsöffnung, die in dem Innenabschnitt 62 des ersten Gehäuseteils 40 ausgebildet ist, eingesteckt und darin mittels beispielsweise einer Klebeverbindung fixiert gehalten ist. Das andere, freie Ende des Kanalrohrs 90 erstreckt sich dagegen bis in den erwähnten tiefstgelegenen Abschnitt 86 des Hohlraums 82, wobei die dazugehörige Stirnseite des Kanalrohrs 90 in einem relativ kleinen Abstand von beispielsweise maximal ca. 0,5 mm zu der entsprechenden den Hohlraum 82 begrenzenden Wandung angeordnet ist. Infolge der erheblichen Abstände in sowohl radialer Richtung als auch axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 66 des Verdichterlaufrads 26, die die beiden Stellen, die mittels des Überleitkanals 46 fluidleitend miteinander verbunden sind, zueinander aufweisen, weist das Kanalrohr 90 einen mehrfach gekrümmten Verlauf auf. Dabei ist das Kanalrohr 90 durch den Rezirkulationskanal 70 hindurch bis zu der entsprechenden Stelle in dem Hohlraum 82 geführt.
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Infolge eines sich zumindest temporär im Betrieb des Verdichters 18 einstellenden Unterdrucks an der Mündung des Überleitkanals 88 in den Einlasskanal 52 im Vergleich zu dem Druck in dem tiefstgelegenen Abschnitt 86 des Hohlraums 82 werden Flüssigkeiten, die schwerkraftbedingt zu dem tiefstgelegenen Abschnitt 86 des Hohlraums 82 fließen, im Wesentlichen unmittelbar oder zumindest kurzfristig über den Überleitkanal 88 abgesaugt und in zu verdichtendes Gas, das durch den Einlasskanal 52 strömt, eingebracht. Auf diese Weise werden größere Ansammlungen an Flüssigkeiten in dem Hohlraum 82 verhindert und sich ansammelnde Flüssigkeiten werden vielmehr im Wesentlichen kontinuierlich abgesaugt. Über eine Dimensionierung des Überleitkanals 88 kann der (maximale) Mengenstrom der abgesaugten Flüssigkeit gesteuert werden.
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Die 4 und 5 zeigen eine alternative Ausgestaltung eines ersten Gehäuseteils 40 und eines den Überleitkanal 88 ausbildenden Kanalrohrs 90, wobei diese Einheit aus erstem Gehäuseteil 40 und Kanalrohr 90 bei einem im Übrigen unveränderten Verdichter gemäß der 2 und 3 zum Einsatz kommen kann.
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Der Unterschied zwischen den Ausgestaltungen gemäß den 2 und 3 einerseits und den 4 und 5 andererseits liegt im Wesentlichen ausschließlich in der Ausgestaltung des Überleitkanals 88, der bei der Ausgestaltung gemäß den 4 und 5 in einem ersten, relativ kleinen Abschnitt von einer Durchgangsöffnung in dem Innenabschnitt 62 des ersten Gehäuseteils 40 ausgebildet ist. An diesen ersten Abschnitt schließt sich ein zweiter Abschnitt an, der von einem ersten Kanalrohrabschnitt 92 ausgebildet ist. Dieser erste Kanalrohrabschnitt 92 ist mit einem Endabschnitt in eine Vertiefung in der Außenseite des Innenabschnitts 62 des ersten Gehäuseteils 40 eingesetzt und darin fixiert gehalten, wobei eine Durchgangsbohrung an dem einen Ende des ersten Kanalrohrabschnitts 92 an den von dem Innenabschnitt 62 des ersten Gehäuseteils 40 ausgebildeten ersten Abschnitt des Überleitkanals 88 anschließt. Das andere Ende der Durchgangsöffnung des ersten Kanalrohrabschnitts 92 ist mittels eines Verschlusselements 94 verschlossen. Von einem mittleren Abschnitt der Durchgangsbohrung geht in schräger Ausrichtung eine Anschlussöffnung ab, in deren begrenzende Wandung ein Innengewinde eingebracht ist. In dieses Innengewinde kann ein Außengewinde eines zweiten Kanalrohrabschnitts 96 eingeschraubt werden, dessen freies Ende sich dann bis zu dem tiefstgelegenen Abschnitt 86 des Hohlraums 82 erstrecken kann. Ein außenseitig von dem zweiten Kanalrohrabschnitt 96 ausgebildeter, ringförmig umlaufenden Anschlag 98 begrenzt die Einschraubtiefe für die Schraubverbindung zwischen den Kanalrohrabschnitten 92, 96.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Ansaugmündung
- 16
- Luftfilter
- 18
- Verdichter
- 20
- Ladeluftkühler
- 22
- Turbine
- 24
- Welle
- 26
- Verdichterlaufrad
- 28
- Regelklappe
- 30
- Injektor
- 32
- Steuerungsvorrichtung
- 34
- Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung
- 36
- Gehäuse des Verdichters
- 38
- Motorgehäuseentlüftung
- 40
- erster Gehäuseteil des Gehäuses des Verdichters
- 42
- zweiter Gehäuseteil des Gehäuses des Verdichters
- 44
- dritter Gehäuseteil des Gehäuses des Verdichters
- 46
- Gehäuseabschnitt
- 48
- Strömungsraum
- 50
- Eintrittskanten des Verdichterlaufrads
- 52
- Einlasskanal
- 54
- Verdichtereinlass
- 56
- Austrittskanten des Verdichterlaufrads
- 58
- Diffusorraum
- 60
- Verdichtervolute
- 62
- Innenabschnitt des ersten Gehäuseteils
- 64
- Außenabschnitt des ersten Gehäuseteils
- 66
- Rotationsachse des Verdichterlaufrads
- 68
- Stützelement
- 70
- Rezirkulationskanal
- 72
- vorderseitige Stirnseite des Innenabschnitts
- 74
- vorderseitige Stirnseite des Außenabschnitts
- 76
- Mündungskanal des Rezirkulationskanals
- 78
- rückseitige Stirnfläche des Innenabschnitts
- 80
- Stirnfläche des zweiten Gehäuseteils
- 82
- Hohlraum
- 84
- hinterschnittiger Abschnitt des Hohlraums
- 86
- tiefstgelegener Abschnitt des Hohlraums
- 88
- Überleitkanal
- 90
- Kanalrohr
- 92
- erster Kanalrohrabschnitt
- 94
- Verschlusselement
- 96
- zweiter Kanalrohrabschnitt
- 98
- Anschlag des zweiten Kanalrohrabschnitts
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4213047 A1 [0007]
- EP 2163769 A2 [0007]
- DE 102015209704 [0014]
