DE102020113433A1

DE102020113433A1 - Radialverdichter für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters

Info

Publication number: DE102020113433A1
Application number: DE102020113433.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian SPECK; Knut Becker
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-04-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter (1) für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse (2), einem in dem Verdichtergehäuse (2) um eine Drehachse (3) drehbar gelagerten Verdichterlaufrad (4) und einem in dem Verdichtergehäuse (2) ausgebildeten Verdichtereinlasskanal (5). Dabei ist vorgesehen, dass der Verdichtereinlasskanal (5) zumindest bereichsweise von einer Ringkammer (14) umgriffen ist, die über wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) mit dem Verdichtereinlasskanal (5) strömungstechnisch verbunden ist, wobei über die Ringkammer (14) und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal (5) einbringbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters (1) für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse, einem in dem Verdichtergehäuse um eine Drehachse drehbar gelagerten Verdichterlaufrad und einem in dem Verdichtergehäuse ausgebildeten Verdichtereinlasskanal. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 198 18 873 A1 bekannt. Diese beschreibt eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Großdieselmotor, mit wenigstens einem Abgasturbolader, dessen Ladeluftausgang mittels einer Verbindungsleitung mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler verbunden ist, und dem Mittel zur Reduktion von Schallemissionen zugeordnet sind. Bei diesem lassen sich dadurch eine kompakte Bauweise sowie eine gute Wirkung und lange Standzeit der Mittel zur Schallbekämpfung erreichen, dass wenigstens ein strömungsführendes Element im Bereich des Abgasturboladers mit wenigstens einem auf dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators beruhenden Schalldämpfer versehen ist, der wenigstens eine Kammer enthält, die durch ein Lochblech vom zugeordneten Strömungskanal getrennt ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Radialverdichter für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, welcher gegenüber bekannten Radialverdichtern Vorteile aufweist, insbesondere das Auftreten von störenden akustischen Effekten mit hoher Effektivität bei gleichzeitig hoher Effizienz des Radialverdichters zumindest teilweise vermeidet.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Radialverdichter für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Verdichtereinlasskanal zumindest bereichsweise von einer Ringkammer umgriffen ist, die über wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung mit dem Verdichtereinlasskanal strömungstechnisch verbunden ist, wobei über die Ringkammer und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal einbringbar ist.
Der Radialverdichter dient zum Verdichten eines Mediums, beispielsweise zum Verdichten von Luft. Hierzu verfügt der Radialverdichter über das Verdichterlaufrad, welchem das Medium über den Verdichtereinlasskanal zuführbar ist beziehungsweise zumindest zeitweise zugeführt wird. Beispielsweise ist das Verdichterlaufrad über den Verdichtereinlasskanal an einen Einlass des Radialverdichters strömungstechnisch angeschlossen. Der Verdichtereinlasskanal liegt insoweit zumindest teilweise, insbesondere vollständig oder lediglich teilweise, stromaufwärts des Verdichterlaufrads vor. Beispielsweise mündet der Verdichtereinlasskanal in eine Verdichterlaufradkammer ein, in welcher das Verdichterlaufrad angeordnet beziehungsweise drehbar gelagert ist.
Stromabwärts des Verdichterlaufrads liegt bevorzugt ein Verdichterauslasskanal vor, welcher beispielsweise in dem Verdichtergehäuse ausgebildet ist. Über den Verdichtereinlasskanal ist das Verdichterlaufrad bevorzugt strömungstechnisch an einen Verdichterauslass des Radialverdichters angeschlossen, an welchem der Verdichter das verdichtete Medium bereitstellt. Während eines bestimmungsgemäßen Betriebs des Radialverdichters liegt das Medium an dem Verdichterauslass unter einem höheren Druck vor als an dem Verdichtereinlass. Beispielsweise geht der Verdichterauslasskanal von der Verdichterlaufradkammer aus, liegt also strömungstechnisch zwischen der Verdichterlaufradkammer und dem Verdichterauslass.
Der Verdichtereinlasskanal erstreckt sich strömungstechnisch gesehen zumindest bis hin zu dem Verdichterlaufrad und liegt entsprechend zumindest bereichsweise stromaufwärts des Verdichterlaufrads. Zusätzlich kann er in Überdeckung mit dem Verdichterlaufrad vorliegen, sich also strömungstechnisch über zumindest einen Teil des Verdichterlaufrads hinweg erstrecken. Der Verdichtereinlasskanal endet jedoch strömungstechnisch gesehen spätestens mit dem Verdichterlaufrad, liegt also keinesfalls stromabwärts des Verdichterlaufrads vor.
Das Verdichterlaufrad weist mehrere Schaufeln auf, die sich in axialer Richtung gesehen von einer Eintrittsebene des Verdichterlaufrads bis hin zu einem Schaufelende erstrecken. Die Eintrittsebene und das Schaufelende schließen die Schaufeln in axialer Richtung insoweit zwischen sich ein. Bezüglich einer Erstreckung des Verdichterlaufrads in axialer Richtung, insbesondere eines Abstands zwischen der Eintrittsebene und dem Schaufelende, erstreckt sich der Verdichtereinlasskanal über höchstens 50 %, höchstens 40 %, höchstens 30 %, höchstens 20 % oder höchstens 10 % des Verdichterlaufrads, insbesondere über die Eintrittsebene hinausgehend.
Es kann also vorgesehen sein, dass der Verdichtereinlasskanal sich von stromaufwärts des Verdichterlaufrads bis höchstens hin zu der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads erstreckt und spätestens mit dieser endet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Verdichtereinlasskanal sich über die Eintrittsebene hinaus erstreckt, jedoch strömungstechnisch gesehen vor einer Austrittsebene des Verdichterlaufrads beziehungsweise in axialer Richtung vor dem Schaufelende endet. Das Verdichterlaufrad liegt als Radialverdichterlaufrad vor. Entsprechend nimmt es das Medium in axialer Richtung bezüglich der Drehachse entgegen und fördert es in radialer Richtung nach außen.
Der Radialverdichter ist zur Verwendung mit der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs vorgesehen und ausgebildet. Insbesondere dient der Radialverdichter zum Bereitstellen des verdichteten Mediums für ein Antriebsaggregat der Antriebseinrichtung. Hierzu ist der Radialverdichter strömungstechnisch an das Antriebsaggregat angeschlossen. Das Antriebsaggregat liegt beispielsweise in Form einer Brennkraftmaschine vor oder weist eine Brennstoffzelle auf. Die Antriebseinrichtung dient dem Antrieben des Kraftfahrzeugs, insoweit also dem Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Das Antriebsdrehmoment wird mithilfe des Antriebsaggregats, also beispielsweise der Brennkraftmaschine, erzeugt.
Der Radialverdichter ist beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers, welcher wiederum Bestandteil der Antriebseinrichtung sein kann. Der Abgasturbolader verfügt zusätzlich zu dem Radialverdichter über wenigstens eine Abgasturbine, die mit dem Radialverdichter antriebstechnisch gekoppelt ist. Während des Betriebs des Abgasturboladers wird der Turbine Abgas zugeführt, beispielsweise Abgas des Antriebsaggregats. Das Abgas überströmt ein Turbinenlaufrad und treibt dieses an. In anderen Worten wandelt das Turbinenlaufrad in dem Abgas enthaltene Strömungsenergie und/oder Enthalpie in kinetische Energie des Turbinenlaufrads um.
Diese kinetische Energie wird nachfolgend zum Antreiben des Verdichterlaufrads herangezogen. Hierzu ist beispielsweise das Verdichterlaufrad über eine Welle mit dem Turbinenlaufrad gekoppelt, insbesondere starr gekoppelt. Mithilfe des Verdichterlaufrads wird über den Verdichtereinlasskanal bereitgestelltes Medium komprimiert und stromabwärts des Verdichterlaufrads bereitgestellt, insbesondere für das Antriebsaggregat. Alternativ kann der Radialverdichter jedoch auch als elektrisch angetriebener Radialverdichter oder als Kompressor ausgestaltet sein. In letzterem Fall wird der Radialverdichter von dem Antriebsaggregat selbst angetrieben und ist hierzu zumindest zeitweise antriebstechnisch mechanisch mit diesem verbunden.
Bei einem derartigen Radialverdichter können verschiedene Maßnahmen zur akustischen Optimierung ergriffen sein. Diese können jedoch ein Kennfeld des Radialverdichters und damit seine Effizienz negativ beeinflussen. Aus diesem Grund ist es vorgesehen, dass der Verdichtereinlasskanal zumindest bereichsweise von der Ringkammer umgriffen ist, die über die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung mit dem Verdichtereinlasskanal strömungstechnisch verbunden ist. Hierunter ist bevorzugt zu verstehen, dass die Fluiddurchtrittsöffnung unmittelbar in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Beispielsweise ist die Fluiddurchtrittsöffnung im Querschnitt gesehen zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch. Über die Ringkammer und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung ist das Fluid in den Verdichtereinlasskanal einbringbar. Das Fluid kann grundsätzlich ein beliebiges Fluid, insbesondere ein gasförmiges Fluid, sein. Beispielsweise entspricht das Fluid dem Medium, welches mithilfe des Radialverdichters verdichtet wird. Sowohl das Medium als auch das Fluid können beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft, sein.
Bevorzugt liegen selbstverständlich mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen vor, über welche jeweils die Ringkammer mit dem Verdichtereinlasskanal strömungstechnisch verbunden ist. Jede der Fluiddurchtrittsöffnungen geht also von der Ringkammer aus und mündet auf ihrer der Ringkammer strömungstechnisch abgewandten Seite in den Verdichtereinlasskanal ein. Bevorzugt sind die Fluiddurchtrittsöffnungen in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse voneinander beabstandet angeordnet, insbesondere gleichmäßig beabstandet angeordnet. Bevorzugt liegen die Fluiddurchtrittsöffnungen in einer senkrecht auf der Drehachse stehenden gedachten Ebene.
In anderen Worten liegen die Fluiddurchtrittsöffnungen an derselben axialen Position bezüglich der Drehachse vor. Besonders bevorzugt sind die Fluiddurchtrittsöffnungen untereinander identisch ausgestaltet. Insbesondere weisen die Fluiddurchtrittsöffnungen dieselbe Länge und/oder denselben Durchströmungsquerschnitt auf. Soweit im Rahmen dieser Beschreibung von der Fluiddurchtrittsöffnung oder der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung die Rede ist, so sind die Ausführungen aufeinander übertragbar. Bevorzugt sind zudem die Ausführungen zu der Fluiddurchtrittsöffnung oder der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung auf jede der mehreren Fluiddurchtrittsöffnungen übertragbar, sofern diese vorliegen.
Die Ringkammer und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung bilden gemeinsam einen Helmholtzresonator aus. Entsprechend liegt ein Resonanzabsorber vor, sodass in dem Verdichtereinlasskanal vorliegende Schwingungsenergie verringert wird. Insbesondere wird die in dem Verdichtereinlasskanal vorliegende Schwingungsenergie zur Anregung des Helmholtzresonators verwendet, also von dem Verdichtereinlasskanal auf den Helmholtzresonator übertragen. Dort wird die Schwingungsenergie bevorzugt zumindest teilweise in Wärme umgewandelt.
Die Ringkammer und die Fluiddurchtrittsöffnung wirken also bereits an sich akustisch absorbierend, nämlich aufgrund ihrer Ausbildung des Helmholtz-Resonators, sodass störende Geräusche, die während des Betriebs des Radialverdichters auftreten können, verhindert oder zumindest in ihrer Intensität verringert werden. Zudem dienen sie dem Einbringen des Fluids in den Verdichtereinlasskanal, nämlich stromaufwärts des Verdichterlaufrads. Das Einbringen des Fluids in den Verdichtereinlasskanal beeinflusst eine in dem Verdichtereinlasskanal vorliegende Grenzschicht und stabilisiert durch einen durch das Fluid auf das Medium ausgeübten Querimpuls eine Kernströmung der Strömung des Mediums durch den Verdichtereinlasskanal.
In anderen Worten liegt während des Betriebs des Radialverdichters in dem Verdichtereinlasskanal eine Strömung des Mediums vor, wobei sich die Strömung aus der Kernströmung und der Grenzschicht zusammensetzt. Über die Kernströmung hinweg liegt im Schnitt gesehen durchgehend die gleiche Strömungsgeschwindigkeit vor. Die Grenzschicht bildet sich im Bereich einer den Verdichtereinlasskanal begrenzenden Wand des Verdichtergehäuses durch Reibung aus, sodass die Strömungsgeschwindigkeit über die Grenzschicht in Richtung der Wand abfällt. Durch das Einbringen des Fluids in den Verdichtereinlasskanal wird die Grenzschicht beeinflusst und in Richtung der Kernströmung gedrängt. Entsprechend findet eine Vermischung der Grenzschicht mit der Kernströmung statt, welche die Grenzschicht schlussendlich stabilisiert.
Das Stabilisieren der Grenzschicht erfolgt insbesondere durch das Einbringen von Turbulenz in die Grenzschicht, welches aufgrund des Einbringens des Fluids auftritt. Besonders bevorzugt ist es daher vorgesehen, das Einbringen des Fluids gepulst vorzunehmen, also nicht permanent und gleichmäßig. Vielmehr erfolgt ein periodisches Variieren des Massenstroms, mit welchem das Fluid eingebracht wird. Beispielsweise wird das Einbringen zeitweise mit einem ersten Massenstrom und zeitweise mit einem von dem ersten Massenstrom verschiedenen zweiten Massenstrom vorgenommen, wobei der erste Massenstrom und der zweite Massenstrom abwechselnd eingestellt werden. Das Abwechseln der Massenströme erfolgt zum Beispiel mit einer Frequenz von mindestens 10 Hz, mindestens 25 Hz, mindestens 50 Hz oder mindestens 100 Hz.
Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass das Fluid derart eingebracht wird, dass es unter einem Winkel aus der Fluiddurchtrittsöffnung austritt, der bezüglich einer senkrecht auf der Drehachse stehenden Normalenrichtung angewinkelt ist, also mit der Normalenrichtung einen Winkel einschließt, der größer als 0° und kleiner als 180° ist. Beispielsweise beträgt der Winkel mindestens 15°, mindestens 30° oder mindestens 45° und weniger als 90°, höchstens 75°, höchstens 60° oder höchstens 45°. Der Winkel liegt bevorzugt zwischen 30° und 60°, diese Werte jeweils eingeschlossen. Zudem kann durch das Einbringen des Fluids durch die Fluiddurchtrittsöffnung eine Versottung der Fluiddurchtrittsöffnung verhindert oder zumindest verringert werden.
Zusammenfassend ermöglicht es die beschriebene Ausgestaltung des Radialverdichters einen geräuscharmen Betrieb bei gleichzeitig hoher Effizienz. Dies wird zum einen durch den von der Ringkammer und der Fluiddurchtrittsöffnung gebildeten Helmholtzresonator und zum anderen durch das Einbringen des Fluids durch die Fluiddurchtrittsöffnung erzielt. Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Fluiddurchtrittsöffnung unmittelbar in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Hierzu ist die Fluiddurchtrittsöffnung bevorzugt in einer den Verdichtereinlasskanal begrenzenden Wand ausgebildet. Das den Verdichtereinlasskanal durchströmende Medium überströmt insoweit unmittelbar eine durch das Einmünden der Fluiddurchtrittsöffnung in den Verdichtereinlasskanal gebildeten Mündungsöffnung. Bevorzugt ist die Mündungsöffnung derart ausgerichtet, dass ihre Flächennormale senkrecht auf der Drehachse des Verdichterlaufrads steht oder parallel zu einer senkrecht auf der Drehachse stehenden Geraden angeordnet ist. Beispielsweise sind die Fluiddurchtrittsöffnung und die Ringkammer derart ausgebildet, dass eine Dämpfung in dem Medium für eine Frequenz zwischen 500 Hz und 1.500 Hz, insbesondere für eine Frequenz von 1.000 Hz, erfolgt, diese Werte jeweils eingeschlossen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine einerseits strömungstechnisch an eine Fluiddruckquelle angeschlossene Fluidleitung andererseits über die Ringkammer und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung strömungstechnisch an den Verdichtereinlasskanal angeschlossen ist. Die Fluiddruckquelle dient dem Bereitstellen des Fluids zum Einbringen in den Verdichtereinlasskanal. Hierzu stellt die Fluiddruckquelle das Fluid mit einem Druck bereit, welcher hinreichend ist, um das Fluid in Richtung des Verdichtereinlasskanals beziehungsweise bis in diesen zu fördern.
Die Fluidleitung liegt strömungstechnisch zwischen der Fluiddruckquelle und der Ringkammer vor. Einerseits ist die Fluidleitung also an die Fluiddruckquelle und andererseits an die Ringkammer strömungstechnisch angeschlossen. Die Fluidleitung ist beispielsweise in dem Verdichtergehäuse ausgebildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Fluidleitung als von dem Verdichtergehäuse separate Fluidleitung vorliegt und an diesem angeordnet beziehungsweise befestigt ist. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht eine zuverlässige Einbringung des Fluids in den Verdichtereinlasskanal, insbesondere mit hinreichendem Massenstrom.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung unter einem Winkel bezüglich der Drehachse in die Ringkammer einmündet, der von einem Winkel verschieden ist, unter dem die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung von der Ringkammer ausgeht. Beispielsweise mündet die Fluidleitung unter Ausbildung einer Fluidleitungsmündungsöffnung in die Ringkammer ein, wohingegen die Fluiddurchtrittsöffnung unter Ausbildung einer Fluiddurchtrittsöffnungsmündungsöffnung von der Ringkammer ausgeht. Eine Flächennormale der Fluidleitungsmündungsöffnung schließt nun mit der Drehachse oder einer zu der Drehachse parallelen Geraden einen ersten Winkel ein und die Flächennormale der Fluiddurchtrittsöffnungsmündungsöffnung mit der Drehachse oder einer zu dieser parallelen Geraden einen zweiten Winkel.
Der erste Winkel und der zweite Winkel sind - bevorzugt - voneinander verschieden. Das bedeutet insbesondere, dass die Flächennormalen nicht parallel zueinander verlaufen, sondern gegeneinander angewinkelt sind oder windschief zueinander vorliegen. In jedem Fall liegt die Fluiddurchtrittsöffnung nicht in Verlängerung der Fluidleitung vor. Somit wird mithilfe der Ringkammer ein Beruhigen des aus der Fluidleitung in die Ringkammer einströmenden Fluids erzielt, bevor das Fluid durch die Fluiddurchtrittsöffnung aus der Ringkammer ausströmt und in den Verdichtereinlasskanal eintritt. Hierdurch werden störende Strömungsgeräusche effektiv vermieden und zudem das Ausbilden des Helmholtzresonators durch die Ringkammer und die Fluiddurchtrittsöffnung nicht behindert.
Alternativ können die Winkel auch identisch sein, sodass die Fluidleitung und die Fluiddurchtrittsöffnung parallel zueinander verlaufen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Fluidleitung und die Fluiddurchtrittsöffnung gegeneinander versetzt sind, sodass sie nicht in Überdeckung miteinander vorliegen. Auch ein solches Überdecken oder sogar ein Fluchten der Fluidleitung und der Fluiddurchtrittsöffnung können jedoch realisiert sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung in Umfangsrichtung eine Erstreckung aufweist, die um einen Faktor von höchstens 2, höchstens 1,5 oder höchstens 1,25 größer ist als eine Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung in axialer Richtung. Bevorzugt ist die Fluiddurchtrittsöffnung im Querschnitt gesehen oval, also beispielsweise rund oder ellipsenförmig. Die Fluiddurchtrittsöffnung liegt weiter bevorzugt als Zylinder vor, beispielsweise als Zylinder mit ellipsenförmiger Grundfläche oder als Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche.
Im Falle der kreisförmigen Fluiddurchtrittsöffnung weist diese in Umfangsrichtung dieselbe Erstreckung auf wie in axialer Richtung, jeweils bezüglich der Drehachse gesehen. Weist sie eine andere Gestalt auf, so sind ihre Abmessungen in Umfangsrichtung begrenzt, nämlich auf höchstens die doppelte Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in axialer Richtung. In jedem Fall ist also die Fluiddurchtrittsöffnung in Umfangsrichtung nicht durchgehend ausgebildet. Hierdurch wird die Ausbildung des Helmholtz-Resonators begünstigt.
Alternativ können jedoch auch größere Abmessungen der Fluiddurchtrittsöffnung in Umfangsrichtung realisiert sein. Zum Beispiel umgreift die Fluiddurchtrittsöffnung die Drehachse um wenigstens 10°, wenigstens 20°, wenigstens 30°, wenigstens 45° oder mehr. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Fluiddurchtrittsöffnung die Drehachse um wenigstens 90°, wenigstens 180°, wenigstens 270° oder vollständig umgreift und entsprechend rinförmig ausgestaltet ist. Die Fluiddurchtrittsöffnung ist um die genannten Winkel durchgehend, also ununterbrochen, ausgebildet. Hierdurch wird ein besonders hoher Fluiddurchsatz bei dem Einbringen des Fluids sichergestellt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung eine Erstreckung aufweist, die einer Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung in axialer Richtung und/oder einer Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung in Umfangsrichtung, jeweils multipliziert mit einem Faktor von mindestens 0,5, mindestens 0,75, mindestens 1,0, mindestens 1,25, mindestens 1,5, mindestens 2, mindestens 2,5 oder mindestens 5 entspricht. Unter der Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung ist insbesondere eine Länge der Fluiddurchtrittsöffnung zu verstehen, wohingegen die Erstreckung in axialer Richtung und die Erstreckung in Umfangsrichtung ihren Durchströmungsquerschnitt definieren.
Um die Ausbildung des Helmholtzresonators durch die Ringkammer und die Fluiddurchtrittsöffnung zu begünstigen, soll die Fluiddurchtrittsöffnung vergleichsweise lang sein. Hierzu weist sie eine Länge auf, welche um wenigstens einen der genannten Faktoren größer ist als ihre Erstreckung in eine der anderen Richtungen. Bevorzugt sind noch größere Faktoren von mindestens 3, mindestens 4 oder mindestens 5. Die Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung ist insbesondere derart gewählt, dass die in dem Verdichtereinlasskanal vorliegenden Schwingungen besonders effektiv gedämpft werden. Hierdurch wird eine besonders hohe Laufruhe des Radialverdichters erzielt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ringkammer in Umfangsrichtung eine Erstreckung aufweist, die um einen Faktor von mindestens 5, mindestens 7,5 oder mindestens 10 größer ist als die Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung in derselben Richtung. In anderen Worten erstreckt sich die Ringkammer in Umfangsrichtung weiter als die Fluiddurchtrittsöffnung. Besonders bevorzugt übergreift die Ringkammer mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen. Hierdurch wird ein besonders effizienter Helmholtzresonator geschaffen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung in Abhängigkeit von einem Volumen der Ringkammer und/oder von einem Flächeninhaltes der durch das Einmünden der Fluiddurchtrittsöffnung in den Verdichtereinlasskanal gebildeten Mündungsöffnung, insbesondere von der Summe des Flächeninhalts aller Mündungsöffnungen, gewählt wird. Bevorzugt werden die Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung, der Flächeninhalt beziehungsweise die Summe der Flächeninhalte und/oder das Volumen der Ringkammer derart gewählt, dass sich eine Resonanzfrequenz von mindestens 1.000 Hz und höchstens 2.000 Hz ergibt. Beispielsweise soll die Resonanzfrequenz mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.800 Hz, mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.600 Hz, mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.500 Hz oder mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.400 Hz betragen.
Zum Beispiel ist es vorgesehen, dass das Volumen der Ringkammer mindestens 0,01 I und höchstens 0,03 I, beispielsweise in etwa oder genau 0,02 I beträgt. Der Flächeninhalt der Austrittsöffnung beziehungsweise die Summe aller Flächeninhalte der Austrittsöffnungen beträgt beispielsweise mindestens 75 mm² und höchstens 500 mm², mindestens 100 mm² und höchstens 400 mm², mindestens 125 mm² und höchstens 300 mm² oder mindestens 150 mm² und höchstens 200 mm². Die Erstreckung der Fluiddurchtrittsöffnung in radialer Richtung beträgt zum Beispiel mindestens 0,1 mm und höchstens 30 mm, mindestens 0,1 mm und höchstens 20 mm, mindestens 0,1 mm und höchstens 15 mm, mindestens 0,1 mm und höchstens 10 mm, mindestens 0,1 mm und höchstens 7,5 mm oder mindestens 0,1 mm und höchstens 5 mm.
Bevorzugt bilden die Austrittsöffnungen hierbei ein Lochraster und weisen jeweils einen Durchmesser von mindestens 0,5 mm und höchstens 2 mm, mindestens 0,75 mm und höchstens 1,5 mm oder in etwa oder genau 1 mm auf. Sie können jedoch auch schlitzförmig sein und hierbei eine Länge von mindestens 0,5 mm und höchstens 4 mm, mindestens 1 mm und höchstens 3 mm oder mindestens 1 mm und höchstens 2mm aufweisen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung in einem Ringelement ausgebildet ist, das in eine, insbesondere benachbart zu der Ringkammer, in dem Verdichtergehäuse vorliegenden Aufnahmekammer eingesetzt ist. Das Ringelement ist grundsätzlich ringförmig und umgreift die Drehachse in Umfangsrichtung zumindest teilweise oder vollständig. In ersterem Fall liegt es als Ringsegment vor beziehungsweise ist ringsegmentförmig. In dem Ringelement ist die Fluiddurchtrittsöffnung ausgebildet. Vorzugsweise liegen in dem Ringelement mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen vor, welche beabstandet voneinander in ihm ausgebildet sind.
Das Ringelement ist in die Aufnahmekammer eingesetzt, welche zu diesem Zweck in dem Verdichtergehäuse ausgestaltet ist. Die Verwendung des Ringelements ermöglicht ein besonders rasches und kostengünstiges Herstellen des Radialverdichters, weil das Ringelement bereits als Fertigelement vorliegt. Das Einsetzen des Ringelements in die Aufnahmekammer erfolgt beispielsweise derart, dass durch das Einsetzen gleichzeitig die Ringkammer ausgebildet ist. Entsprechend liegt das Ringelement nach seinem Einsetzen benachbart zu der Ringkammer vor, wobei diese einerseits von dem Ringelement und andererseits von dem Verdichtergehäuse begrenzt ist. Beispielsweise wird die Ringkammer in radialer Richtung nach innen von dem Ringelement und in radialer Richtung nach außen von dem Verdichtergehäuse beziehungsweise einer die Aufnahmekammer in radialer Richtung nach außen begrenzenden Wand begrenzt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich zu der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung die Ringkammer in dem Ringelement ausgebildet ist. Die Ringkammer liegt beispielsweise randoffen oder randgeschlossen in dem Ringelement vor. In jedem Fall geht die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung von der Ringkammer aus. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Radialverdichters, weil zum Ausbilden der Fluiddurchtrittsöffnung und der Ringkammer lediglich das Ringelement in die Aufnahmekammer eingesetzt werden muss.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung in axialer Richtung bezüglich der Drehachse des Verdichterlaufrads in Überdeckung mit dem Verdichterlaufrad angeordnet ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Fluiddurchtrittsöffnung und/oder die Ringkammer in der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads liegen beziehungsweise von der Eintrittsebene geschnitten werden. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht ein Einbringen des Fluids und entsprechend eine besonders gezielte Beeinflussung der Strömung des Mediums im Bereich des Verdichterlaufrads. Hierdurch wird eine besonders gezielte und effektive Reduzierung der Störgeräusche erzielt.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Radialverdichters gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei der Radialverdichter über ein Verdichtergehäuse, ein in dem Verdichtergehäuse drehbar gelagertes Verdichterlaufrad und einen in dem Verdichtergehäuse ausgebildeten Verdichtereinlasskanal verfügt. Dabei ist vorgesehen, dass der Verdichtereinlasskanal zumindest bereichsweise von einer Ringkammer umgriffen ist, der über wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung mit dem Verdichtereinlasskanal strömungstechnisch verbunden ist, wobei über die Ringkammer und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung zumindest zeitweise ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal eingebracht wird.
Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung des Radialverdichters beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl der Radialverdichter als auch das Verfahren zu seinem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
Das Einbringen des Fluids erfolgt mithilfe einer Fluiddruckquelle. Diese liegt beispielsweise als externe Fluiddruckquelle vor, beispielsweise als Sekundärluftpumpe oder dergleichen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Radialverdichter selbst die Fluiddruckquelle darstellt, genauer gesagt eine Druckseite des Radialverdichters. Beispielsweise ist also eine Fluidleitung einerseits an die Druckseite des Radialverdichters und andererseits über die Ringkammer und die Fluiddurchtrittsöffnung an den Verdichtereinlasskanal strömungstechnisch angeschlossen. In jedem Fall kann strömungstechnisch zwischen der Fluiddruckquelle und dem Verdichtereinlasskanal ein Stellventil vorliegen, beispielsweise ein Regelventil oder ein federbelastetes einstellbares Ventil.
Mithilfe des Stellventils kann der Volumenstrom des in den Verdichtereinlasskanal eingebrachten Fluids eingestellt werden. Besonders bevorzugt wird der Volumenstrom in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Radialverdichters eingestellt. Der Betriebspunkt ist beispielsweise definiert durch eine Drehzahl des Radialverdichters und/oder ein Druckverhältnis, welches das Verhältnis zwischen einem auf der Druckseite des Radialverdichters vorliegenden Druck und einem auf einer Saugseite des Radialverdichters vorliegenden Druck beschreibt. Beispielsweise ist es vorgesehen, den Volumenstrom des Fluids umso größer zu wählen, je größer die Drehzahl des Radialverdichters ist und/oder je größer das Druckverhältnis. Hierdurch wird eine besonders effektive Reduzierung der Störgeräusche erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige

Figur eine schematische Schnittdarstellung eines Radialverdichters für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs.

Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Radialverdichters 1, der ein Verdichtergehäuse 2 und ein in dem Verdichtergehäuse 2 um eine Drehachse 3 drehbar gelagertes Verdichterlaufrad 4 aufweist. Bezüglich einer Strömungsrichtung eines Mediums in dem Verdichtergehäuse 2 stromaufwärts des Verdichterlaufrads 4 ist ein Verdichtereinlasskanal 5 in dem Verdichtergehäuse 2 ausgebildet. Stromabwärts des Verdichterlaufrads 4 liegt ein Verdichterauslasskanal 6 in dem Verdichtergehäuse 2 vor. Der Verdichtereinlasskanal 5 und der Verdichterauslasskanal 6 sind über das Verdichterlaufrad 4 strömungstechnisch miteinander verbunden.
Während eines Betriebs des Radialverdichters 1 verdichtet das Verdichterlaufrad 4 das über den Verdichtereinlasskanal 5 bereitgestellte Medium und stellt es unter einem höheren Druck in dem Verdichterauslasskanal 6 zur Verfügung. Das Verdichterlaufrad 4 verfügt über mehrere Schaufeln 7, von welchen hier lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Eine dem Verdichtereinlasskanal 5 zugewandte Seite der Schaufeln 7 definiert eine Eintrittsebene 8, welche ansonsten senkrecht auf der Drehachse 3 steht. Unter der Eintrittsebene 8 ist insoweit diejenige Ebene zu verstehen, an welcher das Medium in das Verdichterlaufrad 4 eintritt.
Es ist erkennbar, dass der Verdichtereinlasskanal 5 von einer Wand 9 begrenzt ist. Diese Wand 9 ist teilweise mit einer durchgehenden und fluiddichten Oberfläche versehen. Bereichsweise ist in der Wand 9 jedoch wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung 10 ausgebildet, durch welche ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal 5 einbringbar ist, nämlich gemäß der Pfeile 11, welche hier beispielhaft angedeutet sind. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegen mehrere Fluiddurchtrittsöffnungen 10 vor, welche in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse 3 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Beispielsweise sind mindestens 10, mindestens 20, mindestens 30, mindestens 40 oder mindestens 50 derartiger Fluiddurchtrittsöffnungen 10 in der Wand 9 ausgebildet. Beispielsweise ist die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung 10 in einem Ringelement 12 ausgebildet, welche die Drehachse 3 in Umfangsrichtung vollständig umgreift und durchgehend ausgebildet ist. Das Ringelement 12 ist beispielsweise als Einsetzteil ausgebildet und insoweit in eine entsprechende Aufnahme des Verdichtergehäuses 2 einsetzbar.
In dem Verdichtergehäuse 2 ist eine Fluidleitung 13 ausgebildet, welche über die Fluiddurchtrittsöffnung 10 strömungstechnisch an den Verdichtereinlasskanal 5 angeschlossen ist. Strömungstechnisch zwischen der Fluidleitung 13 und der Fluiddurchtrittsöffnung 10 liegt eine Ringkammer 14 vor, welche als Beruhigungskammer dient. Die Ringkammer 14 ist bezüglich der Drehachse 3 in Umfangsrichtung durchgehend und ununterbrochen ausgeführt. Die Fluiddurchtrittsöffnung 10 umgreift die Drehachse 3 in Umfangsrichtung lediglich bereichsweise, insbesondere lediglich über eine geringe Erstreckung. Die Fluiddurchtrittsöffnung 10 und die Ringkammer 14 sind derart ausgestaltet, dass sie gemeinsam einen Helmholtzresonator ausbilden, welcher in dem Verdichtereinlasskanal 5 auftretende Schwingungen absorbieren. Hierdurch wird eine unerwünschte Geräuschbildung des Radialverdichters 1 deutlich reduziert.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mündet die Fluiddurchtrittsöffnung 10 stromaufwärts der Eintrittsebene 8 in den Verdichtereinlasskanal 5 ein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Fluiddurchtrittsöffnung 10 in der Eintrittsebene 8 liegt oder stromabwärts der Eintrittsebene 8 angeordnet ist.
Über die Ringkammer 14 ist durch die Fluiddurchtrittsöffnung 10 das Fluid in den Verdichtereinlasskanal 5 einbringbar, welches insoweit zusammen mit dem in dem Verdichtereinlasskanal 5 vorliegenden Medium das Verdichterlaufrad 4 durchströmt beziehungsweise überströmt. Durch das Einbringen des Fluids in den Verdichtereinlasskanal 5 wird eine Beeinflussung der von dem Medium ausgebildeten Grenzschicht erzielt. Diese Beeinflussung stabilisiert die Grenzschicht des Mediums, sodass eine Reduzierung von Störgeräuschen erzielt wird.
Insgesamt wird mit der beschriebenen Ausgestaltung des Radialverdichters 1 eine hohe Laufruhe erzielt, wobei Störgeräusche vollständig oder zumindest nahezu vollständig beseitigt werden. Durch das Einbringen des Fluids in den Verdichtereinlasskanal durch die Fluiddurchtrittsöffnung 10 wird zudem ein Zusetzen beziehungsweise Versotten der Fluiddurchtrittsöffnung 10 effektiv verhindert. Beispielsweise sind die Ringkammer 14 und die Fluiddurchtrittsöffnung 10 derart ausgestaltet, dass eine maximale Dämpfung der Frequenzen von mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.800 Hz, mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.600 Hz, mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.500 Hz oder mindestens 1.000 Hz und höchstens 1.400 Hz erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Radialverdichter
2: Verdichtergehäuse
3: Drehachse
4: Verdichterlaufrad
5: Verdichtereinlasskanal
6: Verdichterauslasskanal
7: Schaufel
8: Eintrittsebene
9: Wand
10: Fluiddurchtrittsöffnung
11: Pfeil
12: Ringelement
13: Fluidleitung
14: Ringkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19818873 A1 [0002]

Claims

Radialverdichter (1) für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichtergehäuse (2), einem in dem Verdichtergehäuse (2) um eine Drehachse (3) drehbar gelagerten Verdichterlaufrad (4) und einem in dem Verdichtergehäuse (2) ausgebildeten Verdichtereinlasskanal (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtereinlasskanal (5) zumindest bereichsweise von einer Ringkammer (14) umgriffen ist, die über wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) mit dem Verdichtereinlasskanal (5) strömungstechnisch verbunden ist, wobei über die Ringkammer (14) und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal (5) einbringbar ist.
Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einerseits strömungstechnisch an eine Fluiddruckquelle angeschlossene Fluidleitung (13) andererseits über die Ringkammer (14) und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) strömungstechnisch an den Verdichtereinlasskanal (5) angeschlossen ist.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (13) unter einem Winkel bezüglich der Drehachse (3) in die Ringkammer (14) einmündet, der von einem Winkel verschieden ist, unter dem die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) von der Ringkammer (14) ausgeht.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) in Umfangsrichtung eine Erstreckung aufweist, die um einen Faktor von höchstens 2, höchstens 1,5 oder höchstens 1,25 größer ist als eine Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung (10) in axialer Richtung.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) in radialer Richtung eine Erstreckung aufweist, die einer Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung (10) in axialer Richtung und/oder einer Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung (10) in Umfangsrichtung, jeweils multipliziert mit einem Faktor von mindestens 0,5, mindestens 0,75, mindestens 1,0, mindestens 1,25, mindestens 1,5, mindestens 2, mindestens 2,5 oder mindestens 5 entspricht.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringkammer (14) in Umfangsrichtung eine Erstreckung aufweist, die um einen Faktor von mindestens 5, mindestens 7,5 oder mindestens 10 größer ist als die Erstreckung der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung (10) in derselben Richtung.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) in einem Ringelement (12) ausgebildet ist, das in eine in dem Verdichtergehäuse (2) vorliegende Aufnahmekammer eingesetzt ist.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der wenigstens einen Fluiddurchtrittsöffnung (10) die Ringkammer (14) in dem Ringelement (12) ausgebildet ist.
Radialverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) in axialer Richtung bezüglich der Drehachse (3) des Verdichterlaufrads (4) in Überdeckung mit dem Verdichterlaufrad (4) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters (1) für eine Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Radialverdichters (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radialverdichter (1) über ein Verdichtergehäuse (2), ein in dem Verdichtergehäuse (2) drehbar gelagertes Verdichterlaufrad (4) und einen in dem Verdichtergehäuse (2) ausgebildeten Verdichtereinlasskanal (5) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtereinlasskanal (5) zumindest bereichsweise von einer Ringkammer (14) umgriffen ist, die über wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) mit dem Verdichtereinlasskanal (5) strömungstechnisch verbunden ist, wobei über die Ringkammer (14) und die wenigstens eine Fluiddurchtrittsöffnung (10) zumindest zeitweise ein Fluid in den Verdichtereinlasskanal (5) eingebracht wird.