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Die Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Verbrennungsmotor, einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem mit der Abgasturbine verbundenen Verdichter, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem in einem Zulufttrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter.
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Kraftfahrzeuge werden häufig mit aufgeladenen Verbrennungsmotoren ausgestattet. Dabei wird dem Verbrennungsmotor Verbrennungsluft in komprimierter Form zugeführt, so dass die Zylinder des Verbrennungsmotors bei gleichem Volumen mit einer größeren Luftmasse beladen werden als bei Verbrennungsmotoren ohne Aufladung. Die Verbrennungsluft wird von einem Verdichter verdichtet, der beispielsweise unmittelbar von dem Verbrennungsmotor, elektrisch oder von einer im Abgasstrom des Verbrennungsmotors angeordneten Abgasturbine angetrieben wird.
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In Kraftfahrzeugen übliche Verdichter besitzen ein Verdichterrad mit Verdichterschaufeln, das in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist. Die in den Verdichter strömende Luft wird durch das in Rotation versetzte Verdichterrad zum Auslass des Verdichters getrieben und dabei gegen den Strömungswiderstand verdichtet. In manchen Betriebszuständen von Verbrennungsmotor und Verdichter kann es dabei jedoch zu Strömungsabrissen an den Verdichterschaufeln und dadurch zu einem Rückströmen der verdichteten Luft durch den Verdichter kommen, bis der Druck stromabwärts des Verdichters ausreichend stark abgenommen hat, dass der Rückstrom zusammenbricht. Der Verdichter baut den Druckunterschied erneut auf, woraufhin es zu einem erneuten Rückströmen kommen kann. Dieses Phänomen wird als „Pumpen“ oder auch englisch „Surge“ bezeichnet und kann aufgrund der dabei entstehenden Vibrationen zu einer Beschädigung des Verdichters führen. Zu Verdichterpumpen kann es insbesondere bei niedrigen Massendurchflussraten kommen, weil die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft niedrig wird.
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In der
AT 504 368 B1 wird ein Verdichter eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine gezeigt, wobei im Verdichtergehäuse ein Laufrad eine innere Flut und eine äußere Flut aufweist, die druckseitig in zwei parallelen Ladesträngen weitergeführt werden, wodurch eine zweistufige Aufladung im unteren Motordrehzahlbereich realisiert werden kann.
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Es ist jedoch wünschenswert, einen zuverlässigen Betrieb des Verdichters über eine möglichst weite Bandbreite von Betriebszuständen des Verbrennungsmotors gewährleisten zu können. Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen Verdichter einzuführen, der einen verbesserten Betrieb des Verdichters bei niedrigen Massendurchflussraten erlaubt.
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Die Erfindung führt daher einen neuartigen Verdichter für einen Verbrennungsmotor ein, der ein Verdichtergehäuse und ein um eine Rotationsachse drehbar gelagertes Verdichterrad aufweist. Das Verdichtergehäuse besitzt einen spiralförmig um das Verdichterrad verlaufenden Verdichterluftkanal, der dazu ausgebildet ist, Verdichterluft von dem Verdichterrad wegzuleiten. Erfindungsgemäß weist der Verdichterluftkanal wenigstens eine radial außenliegende Trennwand auf, die den Verdichterluftkanal in eine erste Verdichterschnecke und eine zweite Verdichterschnecke unterteilt. Außerdem ist in einer ausgewählten Verdichterschnecke der ersten und zweiten Verdichterschnecke eine Verschlussvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, die ausgewählte Verdichterschnecke auf ein Steuersignal hin zu verschließen.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass der Verdichter durch Schließen der Verschlussvorrichtung an Betriebsmodi des Verbrennungsmotors mit geringer Last angepasst werden kann. Die durch die Verschlussvorrichtung verschlossene Verdichterschnecke kann dabei noch mit der oder den anderen Verdichterschnecken fluidisch verbunden sein, da die durch die Trennwand bewirkte Unterteilung des Verdichterluftkanals die Verdichterschnecke nicht vollständig von der benachbarten abtrennen muss. Trotz der möglicherweise verbleibenden Verbindung der Verdichterschnecken erhöht die geschlossene Verschlussvorrichtung den Strömungswiderstand durch den entstehenden Rückstau derart, dass die vom Verdichter ausgestoßene verdichtete Luft nur noch in sehr geringem Maße in die verschlossene Verdichterschnecke strömt. Im Ergebnis wird der Auslass des Verdichters um die von der Verschlussvorrichtung verschlossene Querschnittsfläche des Verdichterluftkanals verringert, wodurch wiederum eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der im Verdichterluftkanal strömenden Luft verbunden ist. Dies ist vorteilhaft, weil die höhere Strömungsgeschwindigkeit einen günstigeren Anströmwinkel der vom Verdichter angesaugten Luft auf die Verdichterschaufeln und damit eine geringere Wahrscheinlichkeit eines Strömungsabrisses an den Verdichterschaufeln bedingt. Mithin kann der Verdichter besser und zuverlässiger bei niedrigen Motorlasten verwendet werden und das Risiko von Verdichterpumpen sinkt.
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Das Prinzip der Erfindung kann auf Verdichterkanäle mit mehr als einer Trennwand und mehr als einer Verschlussvorrichtung angewendet werden, so dass drei oder mehr Verdichterschnecken entstehen und der effektive Querschnitt des Verdichterauslasses in mehreren Stufen geschaltet werden kann. Bevorzugt ist der Verdichter jedoch mit genau zwei Verdichterschnecken ausgeführt, da sich hierbei besonders gleichmäßige Strömungseigenschaften über den Gesamtquerschnitt des Verdichterluftkanals erreichen lassen.
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Vorzugsweise sind die erste und die zweite Verdichterschnecke entlang der Rotationsachse des Verdichterrades gegeneinander verschoben angeordnet. Dies ermöglicht es der vom Verdichter verdichteten Luft entlang des gesamten Umfangs des Verdichterrades in die Verdichterschnecke zu strömen. Bei alternativen Anordnungen mit mehreren in einer Ebene liegenden Verdichterschnecken stünde jeder Verdichterschnecke nur ein entsprechender Teil des Umfangs des Verdichterrades zur Verfügung, so dass bei einer verschlossenen Verdichterschnecke lokale Druckschwankungen an den Schaufelblattspitzen des Verdichterrades entstünden, die die Laufruhe des Verdichterrades beeinträchtigen würden.
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Die Trennwand in dem Verdichterluftkanal ist vorzugsweise durchgehend umlaufend ausgestaltet. Bevorzugt weist die Trennwand auch keine Durchlässe wie Bohrungen oder Löcher auf. Verdichterluft kann bei einer verschlossenen Verschlussvorrichtung dennoch von einer Verdichterschnecke zu der benachbarten wechseln, wenn ein Abstand zwischen Trennwand und Verdichterrad verbleibt. Dies ist strömungstechnisch ohne Nachteil, vereinfacht jedoch die Fertigung des Verdichters enorm, da die Spaltmaße unkritisch sind. Besonders bevorzugt ist daher zwischen einem radial innenliegenden Rand der Trennwand und dem Verdichterrad ein Abstand vorgesehen.
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Die Verschlussvorrichtung kann beispielsweise eine Drosselklappe oder eine Schieberdrossel sein. Eine Drosselklappe besitzt einen besonders einfachen Aufbau und ermöglicht einen kompakten Aufbau des Verdichters. Eine Schieberdrossel besitzt den Vorteil, im geöffneten Zustand den Strömungswiderstand der Verdichterschnecke nur marginal gegenüber einer Verdichterschnecke ohne Verschlussvorrichtung zu erhöhen.
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Die Verschlussvorrichtung ist vorzugsweise an einem Auslassende des Verdichterluftkanals angeordnet. Beispielsweise kann die Verschlussvorrichtung in einem Auslass einer Verdichterschnecke angeordnet sein, der von einem weiteren Auslass der weiteren Verdichterschnecke abgetrennt ist, so dass keine unmittelbare Verbindung der beiden Auslässe besteht (sondern nur über einen gegebenenfalls vorhandenen Abstand zwischen Trennwand und Verdichterrad).
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Die erste und die zweite Verdichterschnecke können entlang einer durch die Trennwand verlaufenden Achse spiegelbildlich ausgestaltet sein. Dies garantiert möglichst ähnliche Strömungseigenschaften der beiden Verdichterschnecken, so dass die Massendurchflussraten in den Verdichterschnecken bei geöffneter Verschlussvorrichtung gleich sein werden.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verdichters ist eine erste Querschnittsfläche der ersten Verdichterschnecke entlang eines Umfangs des Verdichterluftkanals gleich einer zweiten Querschnittsfläche der zweiten Verdichterschnecke. Auch durch diese Maßnahme wird ein möglichst gleichmäßiger Strömungswiderstand entlang der Verdichterschnecken erreicht.
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Ein weiterer Erfindungsaspekt führt einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine und einem mit der Abgasturbine verbundenen erfindungsgemäßen Verdichter ein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem in einem Zulufttrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter gemäß dem ersten Erfindungsaspekt oder einem Abgasturbolader gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt ein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Verdichter;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters; und
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem erfindungsgemäßen Verdichter 10. Das Kraftfahrzeug 1 ist zum Zweck der besseren Veranschaulichung nur schematisch und auf die für das Verständnis wesentlichen Teile reduziert dargestellt. Es verfügt über Räder 2 und einen Verbrennungsmotor 3, der lediglich beispielhaft als Vierzylinderreihenmotor dargestellt ist. Selbstredend können im Rahmen der Erfindung auch andere Konfigurationen von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Der Verbrennungsmotor verfügt über einen Zuluftkrümmer 4 und einen Abgaskrümmer 5. Der Zuluftkrümmer 4 führt die von dem Verdichter 10 verdichtete und über einen Luftfilter 9 angesaugte Luft dem Verbrennungsmotor 3 zu. Das bei der Verbrennung von Kraftstoff im Verbrennungsmotor 3 entstehende Abgas wird über den Abgaskrümmer 5 abgeführt. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Kraftfahrzeugs 1 verfügt hierbei über einen Abgasturbolader 6, der aus dem Verdichter 10 und einer mit dem Verdichter 10 über eine Welle 8 verbundenen Abgasturbine 7 aufgebaut ist. Es können jedoch auch andere Verdichterkonfigurationen wie ein unmittelbar von dem Verbrennungsmotor 3 oder elektrisch angetriebener Verdichter vorgesehen sein. Das Abgas strömt über die Abgasturbine 7 und versetzt sie auf diese Weise in Rotation, wodurch der Verdichter 10 angetrieben wird. Anschließend kann das Abgas durch eine oder mehrere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 24 geleitet und über einen Auspuff 25 in die Umwelt entlassen werden.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters 10 in einer Schnittzeichnung. Die 2 und 3 zeigen nur eine Hälfte des Verdichters 10, wobei der diesbezügliche Schnitt entlang einer Rotationsachse 14 eines Verdichterrades 11 geführt wurde. Das Verdichterrad 11 ist zentral in einem Verdichtergehäuse 13 angeordnet und verfügt über eine Mehrzahl von Verdichterschaufeln 12. Es saugt Verbrennungsluft entlang der Rotationsachse 14 an und verdichtet dies, wobei die verdichtete Luft in einen um das Verdichterrad 11 verlaufenden Verdichterluftkanal 16 gedrängt wird. Erfindungsgemäß ist der Verdichterluftkanal 16 durch eine Trennwand 15 unterteilt, die in dem Verdichterluftkanal 16 angeordnet ist. Dabei kann die Trennwand 15 einen Abstand 17 zu dem Verdichterrad 11 aufweisen. Die Trennwand 15 unterteilt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel den Verdichterluftkanal 16 in eine erste Verdichterschnecke 18 und eine zweite Verdichterschnecke 19, welche vorzugsweise zu einer durch die Trennwand 15 verlaufenden Ebene 22 spiegelsymmetrisch ausgestaltet sind. Die Verdichterschnecken 18 und 19 sind mit Auslassenden 20 des Verdichterluftkanals 16 verbunden. In einer der Verdichterschnecken ist eine Verschlussvorrichtung angeordnet, die in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel als Drosselklappe 21 ausgeführt ist. Die Verschlussvorrichtung ist dazu ausgebildet, das Auslassende der zugeordneten Verdichterschnecke zu öffnen oder zu schließen, wodurch sich in einfacher Weise ein variabler Verdichter ergibt, der einen stabilen Betrieb ohne Verdichterpumpen bei niedrigen Lasten ermöglicht, indem die Verschlussvorrichtung den Auslass 20 einer Verdichterschnecke verschließt. Die Drosselklappe 21 ist in dem Auslass des Verdichterluftkanals 16 angeordnet und zwischen einer Position, in der die Drosselklappe parallel zu der strömenden Verdichterluft ausgerichtet ist (offen), und einer Position, in der die Drosselklappe quer zu der Strömungsrichtung ausgerichtet ist und den Auslass so verschließt (geschlossen).
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3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verdichters 10. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass das für das erste Ausführungsbeispiel Gesagte entsprechend gilt, sofern nachfolgend nichts Gegenteiliges festgestellt wird.
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Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verdichters 10 unterscheidet sich von dem ersten dadurch, dass als Verschlussvorrichtung eine Schieberdrossel 23 vorgesehen ist. Bei einer Schieberdrossel 23 kann eine Platte quer zur Strömungsrichtung in den Auslass der Verdichterschnecke geschoben werden. Bei eingeschobener Platte ist der Auslass verschlossen, bei vollständig herausgezogener Platte geöffnet. Die Schieberdrossel 23 besitzt den Vorteil, dass sie im geöffneten Zustand den Strömungswiderstand des Auslasses kaum beeinträchtigt. Diesem Vorteil steht ein größeres Bauvolumen der Gesamtvorrichtung gegenüber.
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Bei Verwendung einer Drosselklappe 21 wie auch einer Schieberdrossel 23 kann der Auslass auch nur teilweise verschlossen werden, so dass prinzipiell gleitende Übergänge zwischen den beiden Extremzuständen möglich sind. Allerdings wird eine teilweise verschlossene Verdichterschnecke aufgrund der entstehenden Turbulenzen einen deutlich höheren Strömungswiderstand aufweisen, so dass ein überproportional großer Teil der verdichteten Luft über die vollständig unblockierte Verdichterschnecke strömen wird.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist sie nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie sie von den nachfolgenden Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Rad
- 3
- Verbrennungsmotor
- 4
- Zuluftkrümmer
- 5
- Abgaskrümmer
- 6
- Abgasturbolader
- 7
- Abgasturbine
- 8
- Welle
- 9
- Luftfilter
- 10
- Verdichter
- 11
- Verdichterrad
- 12
- Verdichterschaufel
- 13
- Verdichtergehäuse
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Trennwand
- 16
- Verdichterluftkanal
- 17
- Abstand
- 18
- erste Verdichterschnecke
- 19
- zweite Verdichterschnecke
- 20
- Auslassende
- 21
- Drosselklappe
- 22
- Ebene
- 23
- Schieberdrossel
- 24
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 25
- Auspuff
- 24
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 25
- Auspuff
