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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung mit einem Verdichter und einer in einem Lagergehäuse drehbar gelagerten Welle mit einem darauf angeordneten Verdichterrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Ladeeinrichtung.
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Aus der
EP 0 386 743 A2 ist eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung mit einem Verdichter und einer in einem Lagergehäuse drehbar gelagerten Welle mit einem darauf angeordneten Verdichterrad bekannt. Die bekannte Ladeeinrichtung besitzt darüber hinaus einen Diffusor, der sich radial von einem Diffusoreinlass an dem Verdichterrad zu einem Diffusorauslass an einem spiralförmigen Verdichtergehäuse erstreckt. Der Diffusor selbst ist dabei hinsichtlich seiner radialen Länge verjüngt, wodurch eine Drucksteigerung und damit ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht werden sollen.
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Nachteilig bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ladeeinrichtung ist jedoch, dass bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten und Massenströmen, das heißt nahe einer Pumpgrenze, das Risiko einer Strömungsablösung sowie eine Rückströmung im Diffusor nahe einer Lagergehäusewand erhöht sind. Dies führt insbesondere bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten und Massenströmen zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad in einem pumpgrenznahen Betriebsbereich auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals eine einen Diffusor in Richtung eines Lagergehäuses eines Verdichters begrenzende Lagergehäusewand nicht radial, sondern schräg auszubilden, wodurch insbesondere im pumpgrenznahen Betriebsbereich, das heißt bei vergleichsweise geringen Umfangsgeschwindigkeiten und Massenströmen, eine Strömungsablösung sowie eine Rückströmung im Diffusor nahe der Lagergehäusewand reduziert werden können. Hierdurch lässt sich insbesondere in diesem Betriebsbereich der Wirkungsgrad erheblich steigern. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung weist in bekannter Weise einen Verdichter sowie eine in einem Lagergehäuse drehbar gelagerte Welle und ein darauf angeordnetes Verdichterrad auf. Ebenso umfasst die Ladeeinrichtung einen Diffusor, der sich radial von einem Diffusoreinlass an dem Verdichterrad hin zu einem Diffusorauslass an einem spiralförmigen Verdichtergehäuse erstreckt. Erfindungsgemäß ist nun, dass der Diffusor einerseits durch eine Diffusorwand und andererseits durch eine Lagergehäusewand begrenzt ist und zugleich die Lagergehäusewand in einem vom Diffusoreinlass ausgehenden ersten Abschnitt um einen Winkel α von 2° ≤ α ≤ 30° schräg zu einer Radialrichtung ausgerichtet ist und dadurch in Radialrichtung nach außen eine Verjüngung des Diffusorquerschnitts bewirkt. Durch den reduzierten Strömungsquerschnitt lässt sich eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Diffusor erreichen und dadurch eine Steigerung des Wirkungsgrades bei geringen Massenströmen. Mit der schrägen Lagergehäusewand wird die Strömung im Diffusor verzögert und damit Druck aufgebaut, wobei jedoch von besonderem Vorteil und Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, dass der Wirkungsgrad bei geringen Massenströmen und kleinen Umfangsgeschwindigkeiten, das heißt insbesondere in einem pumpgrenznahen Bereich, gesteigert werden kann, was mit der erfindungsgemäßen in ihrem ersten Abschnitt schrägen Lagergehäusewand erreicht werden kann. Konventionelle Geometrien weisen hingegen das Problem auf, dass in den Betriebspunkten bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten und Massenströmen die Flächenvergrößerung im Diffusor in Radialrichtung und damit die Verzögerung zu groß ist, was Strömungsablösungen zur Folge hat. Die Steigerung des Wirkungsgrades beruht dabei insbesondere darauf, dass durch den schrägen ersten Abschnitt der Lagergehäusewand eine Strömungsablösung sowie eine Rückströmung im Diffusor bei geringen Drehzahlen und Massenströmen reduziert werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung entspricht eine Breite a am Diffusorauslass ca. 37,5 bis 95 % der Breite B am Diffusoreinlass. Durch eine derartige Querschnittsverjüngung erfolgt im radialen Verlauf des Diffusors eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit, bzw. eine Reduzierung der ansonsten in diesem Bereich auftretenden Verzögerung, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung auch in geringeren Drehzahlbereichen gesteigert werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung schließt sich radial außen an dem ersten Abschnitt der Lagergehäusewand ein radial verlaufender zweiter Abschnitt an, der in eine Volute des Verdichtergehäuses mündet. Der radial verlaufende zweite Abschnitt ist dabei abhängig vom Winkel der Schräge und der Breite a am Diffusorauslass.
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Zweckmäßig entspricht eine radiale Länge L2 des zweiten Abschnitts 100% bis 250% der radialen Länge L1 des ersten Abschnitts, wobei sich die radiale Länge L2 aus dem Außendurchmesser des Diffusors ergibt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der erste Abschnitt einstückig mit der Lagergehäusewand ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass durch eine einfache Änderung der Form des Lagergehäuses zugleich auch die Form des Diffusors mit geändert werden kann, ohne dass hierfür nachträgliche Montageschritte erforderlich sind. Insbesondere kann beispielsweise durch eine Änderung der Gießform des Lagergehäuses zugleich ein der Diffusor mitgestaltet werden. Alternativ hierzu ist selbstverständlich auch denkbar, dass der erste und der zweite Abschnitt der Lagergehäusewand als separater Einsatz ausgebildet und mit der Lagergehäusewand verbunden sind. Dies bietet wiederum den großen Vorteil, dass das Lagergehäuse mit zunächst radialer Lagergehäusewand weiter produziert und lediglich optional mit dem zusätzlichen ersten und zweiten Abschnitt ausgestattet werden kann. Hierdurch ist insbesondere auch eine deutlich größere Flexibilität hinsichtlich der Fertigung denkbar, da beispielsweise unterschiedliche erste Abschnitte mit unterschiedlich stark geneigten Keilflächen und unterschiedlich dicke zweite Abschnitte vorgehalten und individuell in ansonsten gleiche Lagergehäuse bzw. an ansonsten gleiche Lagergehäusewände angeordnet werden können. Hierdurch ließe sich insbesondere auch ein Baukastensystem realisieren.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1, die insbesondere als Abgasturbolader 2 in einem Kraftfahrzeug ausgebildet sein kann, einen Verdichter 3 sowie eine in einem Lagergehäuse 4 drehbar gelagerte Welle 5 mit einem darauf angeordneten Verdichterrad 6 auf. Ebenfalls umfasst die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 einen Diffusor 7, der sich radial von einem Diffusoreinlass 8 an dem Verdichterrad 6 hin zu einem Diffusorauslass 9 an einem spiralförmigen Verdichtergehäuse 10 erstreckt. Erfindungsgemäß ist nun der Diffusor 7 einerseits durch eine Diffusorwand 11 und andererseits durch eine Lagergehäusewand 12 begrenzt. Die Lagergehäusewand 12 ist dabei erfindungsgemäß an einem vom Diffusoreinlass 8 ausgehenden ersten Abschnitt 13 um einen Winkel α zwischen 2 und 30° schräg zu einer Radialrichtung 14 ausgerichtet und bewirkt in Radialrichtung 14 nach außen eine Verjüngung des Diffusorquerschnitts. Mit unterbrochen gezeichneter Linie und dem Bezugszeichen 15 ist dabei eine Lagergehäusewand bezeichnet, die ein aus dem Stand der Technik bekannter und üblicherweise ausgebildeter Verdichter aufweisen würde. Diese bisherige Lagergehäusewand 15 verläuft üblicherweise parallel zur Diffusorwand 11.
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Betrachtet man somit die 1, so kann man erkennen, dass der erste Abschnitt 13 der erfindungsgemäß schräg ausgebildeten Lagergehäusewand 12 deutlich geneigt zur Radialrichtung 14 verläuft, wodurch insbesondere die Gefahr einer Strömungsablösung sowie einer unerwünschten Rückströmung im Diffusor 7 nahe der Lagergehäusewand 12 bei kleinen Umfangsgeschwindigkeiten und damit auch kleinen Massenströmen, das heißt im Bereich einer Pumpgrenze, erheblich reduziert werden kann, wodurch insbesondere in diesem Betriebsbereich ein deutlich erhöhter Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Eine Breite a am Diffusorauslass 9 entspricht dabei ca. 0,375 B ≤ a ≤ 0,95 B der Breite B am Diffusoreinlass 8. Betrachtet man dabei die 1, so kann man erkennen, dass die Breite B der Summe aus b und c entspricht, wobei b einer Diffusorbreite eines aus dem Stand der Technik bekannten Verdichters entspricht.
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Darüber hinaus beträgt ein Verhältnis einer Diffusorbreite a zu b ca. 0,6 bis 0,95, wobei a einer Diffusorbreite der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 entspricht, während b die Diffusorbreite eines aus dem Stand der Technik bekannten Diffusors bezeichnet.
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Zugleich kann man erkennen, dass eine axiale Verschiebung der Lagergehäusewand 12 im Bereich des Diffusoreinlasses 8 im Vergleich zu einer Lagergehäusewand 15 einer aus dem Stand der Technik bekannten Ladeeinrichtung erfolgt, und zwar um einen Wert c zwischen 0,2 mm und 1 mm.
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Entsprechend der 1 kann man darüber hinaus erkennen, dass das Verdichterrad 6 mit einem Radrücken 16 in eine Ausnehmung 17 am Lagergehäuse 4 eingreift.
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Radial außen an dem ersten Abschnitt 13 schließt sich ein radial verlaufender zweiter Abschnitt 18 der Lagergehäusewand 12 an, der in eine Volute 19 des Verdichtergehäuses 10 mündet. Der zweite Abschnitt 18 verläuft dabei vorzugsweise parallel zur Diffusorwand 11. Eine radiale Länge L2 des zweiten Abschnitts 18 beträgt dabei ca. 100% bis 250% der radialen Länge L1 des ersten Abschnitts 13. Die Länge L2 schließt sich dabei an die Länge L1 an und geht bis zum Außendurchmesser des Diffusors 7 bzw. des Verdichters 3.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt 13 einstückig mit der Lagergehäusewand 12 ausgebildet ist oder aber, dass der erste Abschnitt 13 und der zweite Abschnitt 18 der Lagergehäusewand 12 als separater Einsatz ausgebildet und mit der Lagergehäusewand 12 verbunden ist. Der erste Fall bietet dabei den großen Vorteil, dass eine vergleichsweise kostengünstige Fertigung ermöglicht wird, da der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 13 einstückig und damit in einem gemeinsamen Fertigungsschritt mit dem Lagergehäuse 4 hergestellt werden können. Bei der zweiten erwähnten Ausführungsform bietet besteht der Vorteil, dass der als separater Einsatz ausgebildete erste und zweite Abschnitt 13, 18 eine flexible Montage ermöglicht, wodurch das bislang verwendete Lagergehäuse weiter verwendet werden könnte. Eine Außengrenze des bislang gefertigten Lagergehäuses stellt dabei die bisherige Lagergehäusewand 15 dar, die mit unterbrochen gezeichneter Linie dargestellt ist.
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Im Bereich des Diffusors 7 kann die Lagergehäusewand 12 einen Kühlkanal oder eine Luftspaltisolierung aufweisen. Die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 kann beispielsweise in einer Brennkraftmaschine 20 eingesetzt werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung 1 lässt sich insbesondere ein deutlich erhöhter Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich, das heißt nahe einer Pumpgrenze, erreichen, da hier eine Strömungsablösung bzw. eine Rückströmung im Diffusor 7 reduziert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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