DE102020129121B3

DE102020129121B3 - Abgasturbolader-Verdichter

Info

Publication number: DE102020129121B3
Application number: DE102020129121.3A
Authority: DE
Inventors: Elias Chebli; Christoph Altvater
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2040-11-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader-Verdichter (10) mit einem angetriebenen Verdichterrad (20) zum Verdichten der angesaugten Luft, einem Zentral-Ansaugkanal (30), in dem eine verstellbare Ventilanordnung (40) angeordnet ist, durch die der Zentral-Ansaugkanal (30) vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet werden kann,einem um den Zentral-Ansaugkanal (30) herum angeordneten separaten Bypass-Ringkanal (50),wobeidie Ventilanordnung (40) mehrere verstellbare kreissegmentförmige Ventilschaufeln (42) aufweist, die in ihrer Schließstellung in einer einzigen Querebene und in ihrer Öffnungsstellung gleichsinnig geneigt stehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader-Verdichter eines Abgasturboladers zum Aufladen eines Verbrennungsmotors.
Zur Leistungssteigerung und zur Verbesserung der Verbrennung werden Verbrennungsmotoren mit verdichteter Ansaugluft geladen. Hierfür werden Abgasturbolader eingesetzt, die prinzipbedingt jedoch einen begrenzten Betriebsbereich aufweisen. In der Praxis werden insbesondere im Automobilbereich daher auch Anordnungen mit zwei verschieden groß ausgelegten Abgasturboladern eingesetzt, was sehr aufwendig ist. Alternativ oder ergänzend werden 2-stufige Abgasturbolader eingesetzt.
Ein 2-stufiger Turbolader ist beispielsweise aus der DE 10 2004 039 299 A1 bekannt. Der Verdichter des Abgasturboladers weist einen Zentral-Ansaugkanal auf, in dem eine Ventilklappe angeordnet ist, durch die der Zentral-Ansaugkanal vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet werden kann. Um den Zentral-Ansaugkanal herum ist ein fluidisch separater Bypass-Ringkanal angeordnet, der keine Drosseleinrichtung aufweist. Im Teillastbetrieb bzw. bei niedrigen Drehzahlen des angetriebenen Verdichterrades kann der Zentral-Ansaugkanal durch Schließen der Ventilklappe vollständig geschlossen werden, sodass im Bypass-Ringkanal eine hohe Strömungsgeschwindigkeit realisiert wird, wodurch wiederum eine Rückströmung vermieden wird. Die Drosselklappe weist im teilweisen oder vollständig geöffneten Zustand jedoch keine guten Strömungseigenschaften auf, da sie ggf. erhebliche Turbulenzen verursacht.
Aus JP 2009-167938 A ist ein Abgasturbolader-Verdichter bekannt, der einen Zentral-Ansaugkanal mit einer verstellbaren Ventilanordnung aufweist, die durch mehrere verstellbare kreissegmentförmige Ventilschaufeln gebildet ist, die in ihrer Schließstellung in der Querebene stehen. Um den Zentral-Ansaugkanal herum ist ein separater Bypass-Ringkanal vorgesehen, der ebenfalls verstellbare Schaufeln aufweist, die synchron zu den zentralen Ventilschaufeln verstellt werden.
Aus DE 10 2013 007 333 A1 ist ein ähnlicher Abgasturbolader-Verdichter bekannt, der einen Zentral-Ansaugkanal mit variablen Leitschaufeln und einen Bypass-Ringkanal mit starren Leitschaufeln aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, einen Abgasturbolader-Verdichter mit verbesserten Strömungseigenschaften im Teillastbereich bei nicht geschlossener Ventilanordnung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Abgasturbolader-Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader-Verdichter weist ein mechanisch angetriebenes Verdichterrad zum Verdichten der angesaugten Luft auf. Das Verdichterrad wird durch ein Antriebsrad im Abgasstrang des Verbrennungsmotors mechanisch angetrieben.
Der Abgasturbolader-Verdichter weist stromaufwärts des Verdichterrades einen Zentral-Ansaugkanal auf, in dem eine verstellbare Ventilanordnung angeordnet ist, durch die der Zentral-Ansaugkanal vollständig geschlossen oder stufenlos geöffnet werden kann. Um den Zentral-Ansaugkanal herum ist ein separater Bypass-Ringkanal vorgesehen, der keine verstellbare Drosselanordnung oder Ventilanordnung aufweist, und der fluidisch parallel zu dem Zentral-Ansaugkanal angelegt ist. Der Ringkanal ist stets geöffnet. Sowohl der Zentral-Ansaugkanal als auch der Bypass-Ringkanal sind besonders bevorzugt exakt kreisförmig ausgebildet.
Die Ventilanordnung in dem Zentral-Ansaugkanal weist mehrere verstellbare kreissegmentförmige Ventilschaufeln auf, die in ihrer Schließstellung alle in einer Querebene und die in ihrer Öffnungsstellung jeweils in einer Längsebene des Zentralkanals stehen. Es handelt sich um mindestens zwei kreissegmentförmige Ventilschaufeln, die eine geschlossene Kreisscheibe bilden, wenn sie in ihrer Schließstellung in einer einzigen Querebene liegen. In ihrer Öffnungsstellung dagegen stehen die Ventilschaufeln gleichsinnig geneigt zu der Längsebene, die jeweils durch ihre radiale Drehachse hindurch verläuft. Die Ventilschaufeln erzeugen in einer geneigten Öffnungsstellung stromabwärts der Ventilanordnung einen Drall der sie durchströmenden Luftströmung, so dass das Verdichterrad zur Verbesserung des Wirkungsgrades mit einer laminaren Luftströmung angeströmt wird, die sich schraubenförmig bewegt. In der vollständig geöffneten Position der Ventilanordnung können die Ventilschaufeln beispielsweise in jeweils einer Längsebene des Zentralkanals stehen, sodass die Luftströmung laminar und axial aus der Ventilanordnung ausströmt und die Ventilanordnung nur einen minimalen fluidischen Strömungswiderstand darstellt.
Die erfindungsgemäße Ventilanordnung drosselt einerseits bedarfsweise den Luftstrom durch den Zentral-Ansaugkanal in dem gewünschten Maße und erzeugt ggf. im nicht-geschlossenen Zustand einen Drall der Luftströmung stromabwärts der Ventilanordnung. Der Strömungswiderstand der Ventilanordnung nimmt mit zunehmender Öffnung der Ventilanordnung ab.
In dem Bypass-Ringkanal sind mehrere starre Leitschaufeln angeordnet, die exakt in Längsrichtung ausgerichtet sein können, jedoch besonders bevorzugt derart geneigt zur jeweiligen Längsebene sind, dass die durchströmende Luftströmung einen Drall erfährt, der parallel bzw. gleichsinnig zu dem gegebenenfalls in dem Zentral-Ansaugkanal von der Ventilanordnung erzeugten Drall orientiert ist.
Die Leitschaufeln im Bypass-Ringkanal sind stromabwärts der Ventilschaufeln angeordnet. Die Leitschaufeln sind also, in Längsrichtung betrachtet, näher an dem Verdichterrad angeordnet als die Ventilschaufeln der Ventilanordnung. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Teillastbereich und bei relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ein möglichst starker Drall der den Bypass-Ringkanal verlassenden Luftströmung auf das Verdichterrad auftrifft.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Ventilschaufeln der Ventilanordnung ausschließlich radial außen gelagert, sind jedoch nicht innen gelagert. Die Ventilschaufeln ragen also freitragend von radial außen zur Mitte des Zentral-Ansaugkanals von der Innenwand des Zentral-Ansaugkanals ab. Bei geöffneter Ventilanordnung findet sich in der Mitte des Zentral-Ansaugkanals also keine störende Baugruppe zur Lagerung der Ventilschaufeln. Hierdurch werden die Strömungseigenschaften des Zentral-Ansaugkanals im geöffneten Zustand verbessert bzw. eine kompakte Realisierung des Abgasturbolader-Verdichters ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Ventilschaufeln tangential mittig gelagert, wobei sich die Angabe „tangential“ auf die Ventilschaufeln in ihrer vollständig geschlossenen Position bezieht. Die Ventilschaufeln sind also aerodynamisch ausbalanciert gelagert, so dass sowohl für die Öffnungsbewegung als auch für die Schließbewegung der Ventilschaufeln nur relativ geringe Antriebskräfte erforderlich sind. Besonders bevorzugt sind die Ventilschaufeln im Querschnitt symmetrisch ausgebildet, also in Bezug auf ihre Drehachse symmetrisch ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist jeder Ventilschaufel eine radiale Stellwelle zugeordnet, die durch den Bypass-Ringkanal hindurch verläuft. Über die Stellwellen der Ventilschaufeln wird auf einfache Weise eine synchronisierte Verstellung aller Ventilschaufeln ermöglicht. Die den Bypass-Ringkanal durchdringende Stellwellen können aerodynamisch verkleidet sein, sodass der durch die Stellwelle in dem Bypass-Ringkanal verursachte Strömungswiderstand relativ klein gehalten werden kann.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt eines Abgasturbolader-Verdichters mit einer Ventilanordnung mit Ventilanordnungs-Ventilschaufeln im vollständig geöffneten Zustand, und
2 einen Querschnitt II - II der Ventilanordnung der 1 mit vollständig geschlossenen Ventilanordnungs-Ventilschaufeln.

In den 1 und 2 ist ein Abgasturbolader-Verdichter 10 dargestellt, der Teil eines Abgasturboladers ist, der hier nicht vollständig dargestellt ist.
Der Abgasturbolader weist ein sich um eine Längsachse 11 rotierendes Antriebsrad 19 im Abgasstrang auf, das durch die aus dem Verbrennungsmotor ausströmenden Abgase angetrieben wird. Das Antriebsrad 19 ist drehfest verbunden mit einem Verdichterrad 20 des Abgasturbolader-Verdichters 10. Der Abgasturbolader-Verdichter 10 weist ein Verdichter-Gehäuse 22 auf, das das Verdichterrad 20 derart umgibt, dass die Ansaugluft das Verdichterrad 20 axial anströmt und durch das Verdichterrad 20 verdichtet dann durch einen tangentialen Verdichter-Auslass 24 verlässt.
Der Abgasturbolader-Verdichter 10 weist stromaufwärts des Verdichterrades 20 innerhalb eines Ansaug-Gehäuses 54 einen Zentral-Ansaugkanal 30 und einen hierzu koaxial ausgebildeten und ringförmigen Bypass-Ringkanal 50 auf, der durch ein im Wesentlichen zylindrisches Trennrohr 32 von dem Zentral-Ansaugkanal 30 über die axiale Länge des Trennrohrs 32 fluidisch separiert ist. Im Querschnitt ist der Zentral-Ansaugkanal 30 kreisscheibenförmig und ist der Bypass-Ringkanal 50 kreisringförmig ausgebildet. Innerhalb des Zentral-Ansaugkanals 32 ist eine verstellbare Ventilanordnung 40 vorgesehen, durch die der Luftstrom durch den Zentral-Ansaugkanal 30 sowohl mengenmäßig als auch bezüglich seines Dralls eingestellt werden kann. In dem Bypass-Ringkanal 50 ist jedoch keine verstellbare Ventilanordnung vorgesehen.
Die Ventilanordnung 40 weist vorliegend insgesamt zwölf in einer Querebene angeordnete kreissegmentförmige und um eine Radiale schwenkbare Ventilschaufeln 42 auf, die in ihrer in der 2 dargestellten Schließposition den gesamten Öffnungsquerschnitt des Zentral-Ansaugkanals 30 verschließen und die in ihrer in der 1 dargestellten Öffnungsposition jeweils in einer Längsebene stehen. Die Ventilschaufeln 42 werden durch eine im Folgenden noch beschriebene Verstellmimik miteinander koordiniert und synchronisiert derart verstellt, dass sie stets in einem gleichen Winkel und gleichsinnig zu einer Querebene bzw. zu einer durch ihre Drehachsen jeweils definierte Längsebene geneigt sind.
In einer wählbaren geneigten Öffnungsposition der Ventilschaufeln 42 wird die Luftströmung mit einem Drall beaufschlagt, sodass sich stromabwärts der Ventilanordnung 40 dann eine laminare schraubenförmige Luftströmung ergibt.
Die Verstellmimik der Ventilanordnung 40 besteht im Wesentlichen aus zwölf radial ausgerichteten Stellwellen 44, die jeweils mit einer der Ventilschaufeln 42 drehfest verbunden sind, aus jeweils einem Wellen-Zahnrad 45 am distalen Ende der Stellwellen 44, einem kreisringförmigen Zahnring 46, der mit seiner Verzahnung in die Verzahnung aller Wellen-Zahnräder 45 eingreift und einem Stellmotor 48, der über ein Antriebsritzel den Zahnring 46 rotatorisch verstellt.
Die Stellwellen 44 verlaufen in radialer Richtung jeweils durch den Bypass-Ringkanal 50, und sind jeweils durch eine Flügelverkleidung 56 aerodynamisch so verkleidet, dass der Luftwiderstand in diesem Bereich optimal niedrig gehalten wird. Stromabwärts der Flügelverkleidungen 56 sind mehrere starre Leitschaufeln 52 angeordnet, durch die die Bypass-Luftströmung einen Drall erfährt, sodass die aus dem Bypass-Ringkanal ausströmende Luftströmung einen schraubenförmigen Verlauf hat, der gegebenenfalls die gleiche rotatorische Orientierung aufweist, wie die gegebenenfalls aus dem Zentral-Ansaugkanal 30 austretende Luftströmung, wenn die geöffneten Ventilschaufeln 42 nicht exakt in einer Längsebene stehen.
Die Ventilschaufeln 42 sind vorliegend exakt tangential mittig gelagert, so dass die Luftströmung keine nennenswerten Drehmomente in Öffnungsrichtung oder Schließrichtung verursacht. Die Ventilschaufeln 42 sind in ihrem Querschnitt, der jeweils in einer Längsebene senkrecht zur Radialen liegt, symmetrisch und möglichst flach ausgebildet. Die Ventilschaufeln 42 sind über die im Trennrohr 32 und im Ansaug-Gehäuse 54 gleitgelagerten Stellwellen 44 ausschließlich radial außen gelagert, sind also fliegend gelagert.

Claims

Abgasturbolader-Verdichter (10) mit einem angetriebenen Verdichterrad (20) zum Verdichten der angesaugten Luft, einem Zentral-Ansaugkanal (30), in dem eine verstellbare Ventilanordnung (40) angeordnet ist, durch die der Zentral-Ansaugkanal (30) vollständig geschlossen oder vollständig geöffnet werden kann, und einem um den Zentral-Ansaugkanal (30) herum angeordneten separaten Bypass-Ringkanal (50), wobei die Ventilanordnung (40) mehrere verstellbare kreissegmentförmige Ventilschaufeln (42) aufweist, die in ihrer Schließstellung in einer einzigen Querebene und in ihrer Öffnungsstellung gleichsinnig geneigt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bypass-Ringkanal (50) mehrere starre Leitschaufeln (52) angeordnet sind, und die Leitschaufeln (52) stromabwärts der Ventilschaufeln (42) angeordnet sind.
Abgasturbolader-Verdichter (10) nach Anspruch 1 wobei die Ventilschaufeln (42) radial außen gelagert sind.
Abgasturbolader-Verdichter (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ventilschaufeln (42) tangential mittig gelagert sind.
Abgasturbolader-Verdichter (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Ventilschaufeln (42) im Querschnitt symmetrisch ausgebildet sind.
Abgasturbolader-Verdichter (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeder Ventilschaufel (42) eine radiale Stellwelle (44) zugeordnet ist, die durch den Bypass-Ringkanal (50) hindurch verläuft.