DE102016212182A1 - Turboladeranordnung mit parallel angeordneten Kompressoren sowie Verfahren zum Betrieb einer Turboladeranordnung - Google Patents

Turboladeranordnung mit parallel angeordneten Kompressoren sowie Verfahren zum Betrieb einer Turboladeranordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung (10) für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern (16a, b), die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslasskanal (30) entlüften, wobei für jedes Verdichterrad (16a, b) ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung (10) separat geführter Einlasskanal (18, 20) vorgesehen ist. Zur Vermeidung instabiler Betriebszustände mit einem sog. Verdichterpendeln ist nahe den Verdichterrädern (16a, b) – zusätzlich zu einem stromaufwärts vorgesehenen Verzweigungspunkt – eine Strömungsverbindung (24) zwischen den Einlasskanälen (18, 20) untereinander vorgesehen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern, die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslasskanal oder Austrittskanal entlüften bzw. verdichten, wobei für jedes Verdichterrad ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung separat geführter Einlasskanal vorgesehen ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Turboladeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
  • Turboladeranordnungen sind in verschiedensten Konfigurationen bekannt und wichtiger Bestandteil vieler Antriebe, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit derartiger Turboladeranordnungen sind Konzepte mit mehreren, von einer gemeinsamen Turbine über eine Welle angetriebener Verdichterrädern (Kompressoren) bekannt. Je nach Druck- oder Massenstromanforderungen sind strömungstechnische Reihen- oder Parallelschaltungen derartiger Verdichterstufen bekannt.
  • Aus der WO 2011/005455 A2 ist eine gattungsgemäße Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor mit zwei auf einer Welle Rücken-an-Rücken angeordneten, parallel geschalteten Verdichterrädern bekannt, wobei sich der zunächst gemeinsam geführte Einlasskanal in Strömungsrichtung in zwei separat geführte Kanäle unterschiedlicher Länge und Geometrie zur jeweiligen Versorgung der beiden Verdichterräder verzweigt.
  • Aus der DE 10 2012 212 173 A1 ist eine Turboladeranordnung mit zwei Rücken-an-Rücken angeordneten Verdichterrädern bekannt, wobei sich auch hier der zunächst gemeinsam geführte Einlasskanal in zwei separate Kanäle zur Versorgung der Verdichterräder verzweigt.
  • Insbesondere derartige Parallelschaltungen von Verdichterstufen, die in ein gemeinsames Volumen entlüften bzw. verdichten, sind strömungsdynamisch tendenziell schwerer zu beherrschen als Turbolader mit nur einem Verdichterrad. Dies rührt daher, dass die beiden Verdichterstufen in der Regel unterschiedliche Strömungseigenschaften haben, was insbesondere nahe oder jenseits der Pumpgrenze dazu führt, dass die Strömungsverhältnisse zunächst bei einem Verdichterrad instabil werden, was aufgrund von Rückströmungen zu einer Beeinflussung der Strömungsverhältnisse des anderen Verdichterrades führen kann, so dass dieser andere Verdichter temporär an einem anderen, ggf. ebenfalls labilen Betriebspunkt arbeitet. Im Ergebnis treten schwer vorhersagbare oszillierende Effekte ein, die als sog. Verdichterpendeln bekannt sind und mit einem ordnungsgemäßen Betrieb der Turboladeranordnung nicht vereinbar sind.
  • Ein derartiges Verdichterpendeln tritt auch auf, wenn man beide Verdichterstufen möglichst gleichartig und symmetrisch zu gestalten versucht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das diesem Phänomen zugrundeliegende Problem darin erkannt, dass zwar die Verdichterradgeometrie identisch gestaltet werden kann und auch der Auslass- bzw. Austrittskanal symmetrisch und für beide Verdichterräder gasdynamisch im Wesentlichen gleichartig ausgebildet werden kann. Jedoch ist eine gleichmäßige Aufteilung des einströmenden Gasstroms auf beide Verdichterräder in der Praxis kaum möglich, da geometrische Zwänge und Bauraumerwägungen zu unterschiedlichen Einlassgeometrien führen.
  • So ist bei einer möglichen Bauform eines Turboladers mit zweistufigem Verdichter vorgesehen, dass die gemeinsame Einlassleitung mit im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt sich in einen im Kernbereich des Querschnitts abgehenden ersten Einlasskanal erstreckt, der auf einem relativ direkten Weg zum Einlass eines Verdichterrades führt, und dass ein kreisringförmiger Mantelbereich des Querschnitts des gemeinsamen Einlasskanals über einen zweiten Einlasskanal zu einem zweiten Verdichterrad geführt wird, das dem ersten Verdichterrad gegenüberliegt. Dieser zweite Einlasskanal ist länger und weist mehrere Umlenkungen auf, so dass dieser Einlasskanal einen größeren Strömungswiderstand aufweist. Weiterhin sind zweistufige Turboladerkonfigurationen mit einer Bifurkation des Einlasskanals bekannt.
  • Dabei erfolgt aus Bauraumgründen in der Regel die Zufuhr zu einem Verdichterrad in axialer Richtung und zu dem anderen Verdichterrad in radialer Richtung. Auch wenn man über das Aufteilungsverhältnis am Verzweigungsort der Einlasskanäle versuchen kann, in beide Einlasskanäle gleiche Massenströme zu leiten, so ist dies letztlich kaum möglich, da das aktuelle Aufteilungsverhältnis vom aktuellen Gasmassenstrom und von anderen Parametern abhängig ist und daher über den Betriebsbereich variiert.
  • Aufgrund dieser abweichenden Einlassverhältnisse ergeben sich bei beiden Verdichterrädern unterschiedliche Einlassdrücke. Da aber Radgeometrie, d.h. Verdichtungseigenschaften und Auslassdruck – beide Räder verdichten in denselben Auslass- bzw. Austrittskanal – gleich sind, ergeben sich unterschiedliche Arbeitspunkte (Druckverhältnis pein/paus) in den Kennlinien und damit ggf. auch ein unterschiedliches Stabilitätsverhalten der einzelnen Kompressoren.
  • Um das vorbeschriebene Verdichterpendeln zu vermeiden, müssen im Stand der Technik nahe an der Pumpgrenze befindliche Betriebsbereiche mit einem relativ großen Sicherheitszuschlag ausgespart werden, was die Effizienz der Turboladeranordnung insgesamt beeinträchtigt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turboladeranordnung der eingangs genannten Art und ein Betriebsverfahren hierfür zu schaffen, die bzw. das eine erhöhte Stabilität gegenüber Verdichterpendeln aufweist.
  • Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist bei einer erfindungsgemäßen Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern, die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslass- bzw. Austrittskanal entlüften bzw. verdichten, wobei für jedes Verdichterrad ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung separat geführter Einlasskanal vorgesehen ist, vorgesehen, dass nahe den Verdichterrädern eine Strömungsverbindung zwischen den Einlasskanälen untereinander vorgesehen ist.
  • Eine derartige zusätzliche Strömungsverbindung, auch als Kurzschluss oder Bypass bezeichnet, führt dazu, dass unvermeidliche Eingangsdruckunterschiede ausgeglichen werden, so dass beide Verdichterräder nahezu am selben Arbeitspunkt agieren. Jedenfalls sind die Abweichungen erheblich geringer als ohne zusätzliche Strömungsverbindung.
  • Dabei sei betont, dass es sich in der Regel um eine zusätzliche Strömungsverbindung der Einlasskanäle handelt, da diese an einem stromaufwärts vorgesehenen Verzweigungspunkt sowieso bereits strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Jedoch ist die relativ weit von den Verdichterrädern entfernte Verbindung angesichts der Strömungsdynamik nicht dazu geeignet, für möglichst identische Druckverhältnisse im Bereich der Verdichterräder zu sorgen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Strömungsverbindung als Strömungskanal ausgebildet sein, der in die jeweiligen Einlasskanäle in unmittelbarer Nähe zu den Verdichterrädern mündet. Dabei wird man anstreben, den Strömungskanal eher kurz halten, um einen schnellen und direkten Druckausgleich zu ermöglichen.
  • Wenn es die geometrischen Verhältnisse der Turboladeranordnung zulassen, kann die Strömungsverbindung auch einfach mittels wenigstens einer Öffnung implementiert werden, die in die Einlasskanäle voneinander trennende Gehäuseteile eingebracht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Strömungsverbindung bei einer Turboladeranordnung implementiert, bei der zwei Verdichterräder vorgesehen sind, die Rücken-an-Rücken angeordnet sind, wobei beide Verdichterräder im Wesentlichen gleichartige Fördereigenschaften aufweisen.
  • Bei einer derartigen Turboladergeometrie ist es in der Regel erforderlich, dass der Strömungskanal zwischen den Einlasskanälen um einen um die Verdichterräder torusförmig verlaufenden Auslass- bzw. Austrittskanal herum geführt wird, um auf die andere Seite des Turboladers zu gelangen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann in den die Einlasskanäle verbindenden Strömungskanal zusätzlich ein Kurbelgehäuseentlüftungskanal des Verbrennungsmotors münden, so dass das Kurbelgehäuse in die Einlasskanäle vor dem Turbolader entlüftet wird. Heutige Abgasnormen schreiben vor, die im Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors sich akkumulierenden Gase, die Öldämpfe bzw. Ölnebel enthalten können, einer Nachverbrennung zu unterziehen, damit diese nicht in die Umwelt gelangen bzw. die weiteren Abgasbehandlungseinrichtungen beeinträchtigen. Bei Turboladermotoren erfolgt die Rückführung der Kurbelgehäusedämpfe üblicherweise vor dem Turboladereinlass. Somit kann durch die Kombination der erfindungsgemäßen Strömungsverbindung und der Kurbelgehäuseentlüftung der konstruktive Aufwand für die erfindungsgemäße Lösung reduziert werden.
  • In einer Ausgestaltung kann weiter vorgesehen sein, dass der die Einlasskanäle verbindende Strömungskanal eine Querschnittsfläche von nicht mehr 20% der durchschnittlichen Querschnittsfläche der Einlasskanäle aufweist, ggf. ist auch noch ein geringerer Querschnitt von 10% oder 5% der durchschnittlichen Einlasskanalquerschnittsfläche ausreichend. Ein relativ geringer Querschnitt für die Strömungsverbindung reicht in der Regel deshalb bereits aus, weil die auszugleichenden Druckdifferenzen gering sind und der Hauptnutzen der Strömungsverbindung sowieso in Betriebsbereichen mit relativ geringen Massenströmen liegt. Somit kann der Strömungskanal bauraumsparend realisiert werden, z. B. indem dieser in Gehäusewände der Turboladeranordnung integriert wird.
  • Bevorzugt mündet die Strömungsverbindung jeweils in einer Entfernung von nicht mehr als 100 mm, bevorzugt von nicht mehr 50 mm von den jeweiligen Verdichterrädern beanstandet in den jeweiligen Einlasskanal.
  • Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Turboladeranordnung für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern, die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslass- bzw. Austrittskanal entlüften bzw. verdichten, wobei für jedes Verdichterrad ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung separat geführter Einlasskanal vorgesehen ist, vorgeschlagen, bei dem im Bereich der Verdichterräder auftretende Einlassdruckdifferenzen durch eine Strömungsverbindung wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beispielhaft näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Turboladeranordnung in einer schematischen Darstellung, die in einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Diesel-Verbrennungsmotor, zum Einsatz kommen kann.
  • Die Turboladeranordnung 10 weist zwei fest miteinander verbundene Verdichterräder 16a, b (insgesamt mit 16 bezeichnet) in einer Rücken-an-Rückenanordnung auf, die auf einer Welle 14 sitzen, die von einer abgasdurchströmten Turbine (in der rechten Fortsetzung der Zeichnung befindlich und nicht dargestellt) in bekannter Weise rotativ angetrieben wird.
  • Die Verdichterräder 16a, b (die Schaufeln sind nicht im Einzelnen dargestellt) entlüften bzw. fördern oder verdichten gemeinsam radial in einen toroidal um die Räder 16a, b herum angeordneten Auslass- bzw. Austrittsraum 30, der in eine nicht dargestellte Auslass- bzw. Austrittsleitung mündet. Somit sind die beiden Verdichterräder 16 strömungstechnisch parallel geschaltet.
  • Der Einlass der zu verdichteten Verbrennungsgase erfolgt durch zwei separate Einlasskanäle 18 und 20. Der Einlasskanal 18 versorgt das linke Verdichterrad 16a in axialer Richtung, während das rechte Verdichterrad 16b über eine radial verlaufende kanalartige Zuführung 20 mit entsprechender Umlenkung und einem Verteilvolumen versorgt wird. Auch wenn sich beide Einlasskanäle 18, 20 von einem gemeinsamen Kanal verzweigen (die entsprechende Bifurkation ist nicht dargestellt), ist erkennbar, dass sich für die Kanäle 18, 20 aufgrund unterschiedlicher Längen und unterschiedlicher Umlenkungen unterschiedliche Strömungsverhältnisse ergeben, die in bestimmten Betriebszuständen, insbesondere nahe der Pumpgrenze, zu schwerwiegenden Instabilitäten des Turboladers 10, insbesondere einem sog. Verdichterpendeln, führen können.
  • Daher ist im Rahmen der Erfindung eine (zusätzliche) Verbindung der beiden Einlasskanäle 18, 20 durch eine Verbindungsleitung bzw. einen Verbindungskanal 24 vorgesehen, die jeweils in unmittelbarer Nähe zu den Verdichterrädern 16a, b an Mündungspunkten 26, 28 in die Einlasskanäle 18, 20 mündet. Die Verbindungsleitung 24 geht bei 28 in der Nähe des linken Verdichterrades 16a quer von der unteren Wandung des Einlasskanals 18 ab, verläuft als Leitung zunächst außerhalb des Gehäuses des Turboladers 10 und wird dabei um den toroidalen Auslass- bzw. Austrittskanal 30 herum geführt. Weiter wird die Verbindungsleitung 24 durch eine Bohrung in dem Gehäuse des Turboladers 10 weitergeführt und mündet ebenfalls kurz vor dem rechten Verdichterrad 16b quer in den zugehörigen Einlasskanal 20.
  • Die Mündungssituationen und die Mündungsabstände zu den Verdichterrädern 16 sind näherungsweise auf beiden Seiten gleich, damit die Druckausgleichswirkung der Verbindungsleitung 24 optimiert wird. Wie ersichtlich, weist die Verbindungsleitung 24 einen erheblich geringeren Querschnitt als die Einlasskanäle 18, 20 auf, weitaus weniger als 10%.
  • Je nach geometrischen Gegebenheiten der Turboladeranordnung kann die Strömungsverbindung auch durch ein oder mehrere Öffnungen in Gehäuseteilen, die an beide Einlasskanäle grenzen, geschaffen werden, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel allerdings nicht ohne weiteres möglich ist.
  • Es wäre auch grundsätzlich denkbar, entsprechende Öffnungen in dem Verdichterrad 16 selbst vorzusehen, was allerdings aufgrund der hohen technischen Anforderungen an das sehr schnell rotierende Verdichterrad 16 mit Problemen verbunden sein könnte, weshalb eine gehäuseseitige Verbindungsleitung möglicherweise vorzuziehen ist.
  • Wie bei 32 angedeutet, kann die Verbindungsleitung 24 zusätzlich dazu genutzt werden, das Kurbelgehäuse eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors in die Einlasskanäle 18, 20 des Turboladers 10 zu entlüften.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2011/005455 A2 [0003]
    • DE 102012212173 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Turboladeranordnung (10) für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern (16a, b), die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslasskanal (30) entlüften, wobei für jedes Verdichterrad (16a, b) ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung (10) separat geführter Einlasskanal (18, 20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass nahe den Verdichterrädern (16a, b) eine Strömungsverbindung (24) zwischen den separat geführten Einlasskanälen (18, 20) untereinander vorgesehen ist, wobei die Strömungsverbindung zusätzlich zu einem stromaufwärts vorgesehenen Verzweigungspunkt vorgesehen ist.
  2. Turboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung als Strömungskanal (24) ausgebildet ist, der in die jeweiligen Einlasskanäle (18, 20) in unmittelbarer Nähe zu den Verdichterrädern (16a, b) mündet.
  3. Turboladeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung mittels wenigstens einer Öffnung implementiert ist, die in die Einlasskanäle voneinander trennende Gehäuseteile eingebracht ist.
  4. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verdichterräder (16a, b) vorgesehen sind, die Rücken-an-Rücken angeordnet sind, wobei beide Verdichterräder (16a, b) im Wesentlichen gleichartige Fördereigenschaften aufweisen.
  5. Turboladeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal zwischen den Einlasskanälen um einen um die Verdichterräder torusförmig verlaufenden Auslasskanal herum geführt ist.
  6. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den die Einlasskanäle (18, 20) verbindenden Strömungskanal (24) zusätzlich ein Kurbelgehäuseentlüftungskanal (32) des Verbrennungsmotors mündet, so dass das Kurbelgehäuse in die Einlasskanäle (18, 20) vor der Turboladeranordnung (10) entlüftet wird.
  7. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der die Einlasskanäle (18, 20) verbindende Strömungskanal (24) eine Querschnittsfläche von nicht mehr 20% der durchschnittlichen Querschnittsfläche der Einlasskanäle (18, 20) aufweist.
  8. Turboladeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (24) jeweils in einer Entfernung von nicht mehr als 100 mm, bevorzugt von nicht mehr 50 mm von den jeweiligen Verdichterrädern (16a, b) beanstandet in den jeweiligen Einlasskanal (18, 20) einmündet.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Turboladeranordnung (10) für einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei auf einer gemeinsamen Antriebsachse laufenden Verdichterrädern (16a, b), die in Parallelschaltung in einen gemeinsamen Auslasskanal entlüften, wobei für jedes Verdichterrad ein in wenigstens einem Abschnitt vor der Turboladeranordnung (10) separat geführter Einlasskanal (18, 20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Verdichterräder (16a, b) auftretende Einlassdruckdifferenzen durch eine Strömungsverbindung (24) wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
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