DE10325980A1

DE10325980A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE10325980A1
Application number: DE10325980A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Finger; Eduard Dipl.-Ing. Heinz; Linoel Dipl.-Ing. Le Clech; Wolfram Dipl.-Ing. Schmid; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-07
Filing date: 2003-06-07
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US7010916B2; US20040255582A1

Abstract

Es ist bekannt, den Radrücken eines Verdichterrades eine Abgasturboladers über ein Kühlfluid zu kühlen.
Zur Verbesserung der Kühlung wird vorgeschlagen, zumindest eine Düse (32) zur Beaufschlagung eines Radrückens (32) eines Verdichterrades (8) mit Kühlfluid vorzusehen, welche achsnah zu einer Drehachse (36) des Verdichterrades (8) angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass das Kühlfluid durch Ausnutzung der Fliehkräfte des drehenden Verdichterrades (8) sich vollständig über die gesamte Radrückenoberfläche verteilen kann.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader ist zur Aufladung der Ansaugluft für Brennkraftmaschinen vorgesehen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Abgasturbolader nach der Gattung des Anspruchs 1.

Es ist bereits ein Abgasturbolader bekannt ( DE 198 45 375 A1 ), der über eine Kühleinrichtung zur Kühlung eines Verdichterrades des Abgasturboladers verfügt. Die Kühlung des Verdichterrades erfolgt an seiner Rückwand durch eine Einleitung eines Kühlfluids in radialem Abstand zu einem Außenrand bzw. Außenumfang des Verdichterrades. Das Kühlfluid hat daher zum Entlangströmen an der Rückwand des Verdichterrades die Zentrifugalkräfte aufgrund der Drehung des Verdichterrades zu überwinden. Da das Verdichterrad bekanntermaßen hohe Drehzahlen erreicht, ist aufgrund dieser Fliehkräfte nur eine unzureichende Kühlung des Verdichterradrückens möglich. Die Einleitung des Kühlfluids mit radialem Abstand zum Außenrand bzw. Außenumfang des Verdichterrades führt außerdem dazu, dass verdichtete Luft durch einen zwischen der Außenwandung des Verdichterrades und einer Innenwandung des Gehäuses ausgesparten Radialspalt in das Kühlfluid gelangen kann, so dass es zu einer Blasenbildung am Rückenrad kommt. Eine derartige Blasenbildung führt aber zu einem ungünstigen Wärmeübergang am Verdichterradrücken, was zu einer verschlechterten Kühlleistung führt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine verbesserte Kühlung des Radrückens des Verdichterrades erfolgt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Abgasturboladers möglich.

Vorteilhafterweise lässt sich der Übertritt von verdichteter Luft von der Verdichterradvorderseite zu seiner Rückseite verringern. Über eine sogenannte Blow-By-Sperre lässt sich des Weiteren eine Rückführung des Kühlfluids ohne einen Gaseintritt (Blow-By) in einen Kühlkreislauf gewährleisten.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisch vereinfachter Darstellungsweise:
1 eine Schemazeichnung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader und Kühleinrichtung,
2 einen Schnitt durch den Abgasturbolader,
3 einen Schnitt durch ein gekühltes Verdichterrad gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
4 einen Schnitt durch das Verdichterrad gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1, bei der es sich um einen Ottomotor, Dieselmotor oder um einen Gasmotor bzw. Gasverbrennungsmotor handeln kann. Der Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgasturbolader 2 mit einer Turbine 3 in einem Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 1 und ein Verdichter 5 in einem Ansaugtrakt 6 zugeordnet. Die Bewegung eines Turbinenrades der Turbine 3 wird über eine Welle 7 auf ein Verdichterrad 8 des Verdichters 5 übertragen, woraufhin im Verdichter 5 mit Atmosphärendruck p1 angesaugte Frischluft auf einen erhöhten Druck p2 verdichtet wird. Die Abgasturbine 3 des Abgasturboladers 2 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 10 versehen, über die der wirksame Strömungseintrittsquerschnitt zum Turbinenrad veränderlich einstellbar ist. Die variable Turbinengeometrie 10 ist beispielsweise als im Strömungseintrittsquerschnitt der Turbine 3 angeordnetes Leitgitter mit verstellbaren Leitschaufeln ausgebildet. Möglich ist aber auch, wie in 2 näher dargestellt ist, eine sogenannte Schieberlösung zur Veränderung des Strömungseintrittsquerschnitts zum Turbinenrad vorzusehen. Die Schieberlösung sieht hier ein zweiflutiges Turbinengehäuse vor, in dem ein axial verschiebbarer Ring die Fluten vollvariabel freigeben oder verschließen kann. Die Schieberlösung ist insbesondere für Dieselmotoranwendungen vorgesehen.
Die vom Verdichter 5 verdichtete Luft gelangt über einen Ladeluftkühler 12 herabgekühlt in Brennräume der Brennkraftmaschine. Die Kühlung wirkt sich positiv auf eine Erhöhung der Dichte der Luft bzw. der Luftladungsmenge aus. Über ein Abgasrückführventil 14 (AGR-Ventil) und einem anschließenden Kühler 15 kann Abgas, gesteuert über eine elektronische Steuervorrichtung 16, der verdichteten Luft stromab des Ladeluftkühlers 12 zugemischt werden. Die der Verbrennungsluft zugeführte Abgasmenge führt zu einer Verbesserung der Abgaswerte, insbesondere von Stickoxiden (NOx-Reduktion). Das Abgas wird über die vorliegende Druckdifferenz p3–p2s stromab des Ladeluftkühlers 12 der verdichteten Luft zugeführt.
Zur Gehäusekühlung des Verdichters 5 kann, wie in 2 näher gezeigt ist, eine Ummantelung eines Spiralgehäuses 21 des Verdichters 5 vorgesehen sein. Das Kühlfluid durchströmt einen optimierten Kühlkanal 28 zwischen Spiralgehäuse 21 und einer Außenwandung 31 des Verdichters 5, wobei das Spiralgehäuse 21 Teil eines Verdichtergehäuses 9 ist. Eine in 1 dargestellte Pumpe 22 ist Teil eines autarken Verdichterkühlkreislaufs, welcher einen Wärmetauscher 23, eine Leitung 24 zum Verdichter 5 und Abflussleitungen 26, 27 aufweist. Die Regelung der Pumpe 22 erfolgt über die Steuereinrichtung 16. Die Steuereinrichtung 16 steuert neben dem AGR-Ventil 14 auch die variable Turbinengeometrie 10, beispielsweise über das variabel gestaltete Leitgitter oder bei einem mehrflutig ausgebildeten Turbinengehäuse über einen Axialschieber 20 nach 2. Neben dem Vorsehen eines autarken Kühlkreislaufs ist es aber auch möglich, zur Kühlung des Verdichters Kühlwasser aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine (Motorkühlung) zu entnehmen.
Als Kühlfluid kommt Wasser oder Öl oder ein anderes geeignetes Medium in Frage. Möglich ist auch die Verwendung eines Kältemittels, das in einem niedrigen Temperaturbereich siedet bzw. verdampfen kann. Die Verdampfungstemperatur kann dabei unterhalb von 120° Celsius liegen. Der in 1 gezeigte autarke Kühlkreislauf kann somit neben Wasser auch mit Öl betrieben werden. Denkbar ist auch hier, für die Verdichterkühlung diesen in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine einzubinden bzw. das Kühlöl auch mit dem Reservoir des Motorschmieröls zu koppeln.
Wie die 2 näher zeigt, sind folgende Kühlmaßnahmen einzeln oder auch in beliebiger Kombination untereinander möglich:

a) Verdichtergehäusekühlung: Wärmeentzug aus der Strömung der Luft im Spiralkanal 21,
b) Kühlung eines Diffusorbereichs 29 des Verdichters 5 durch eine Kühlfluidströmung, die beispielsweise in einem Ringkanal 30 im Verdichtergehäuse 9 vorgesehen ist,
c) Kühlung eines Radrückens 32 des Verdichterrades 8,
d) Kühlung am Radeintritt des Verdichterrades 8, falls die Kühlmediumtemperatur unterhalb der Lufttemperatur der zu verdichtenden Luft gehalten werden kann.

Die Kühlung des Radrückens 32 des Verdichterrades 8 bietet den Vorteil, dass die Kühlung der Luft in der Phase der Verdichtung im Radschaufelkanal bzw. der Energieübertragung der Verdichterschaufel auf die Luft erfolgt. Durch die Wärmeabfuhr aus der zu verdichtenden Luft verbessert sich der thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters. Die Kühlmaßnahmen an den Stellen a) und b) entsprechen in ihrer Wirkung dem eines Wärmetauschers, wohingegen die Kühlung an der Stelle c) eine positive Einflussnahme auf den Wirkungsgrad des Verdichters 5 hat.
Für die Aufteilung der Gesamtwärmeabfuhr Q_gesamt aus der verdichteten Luft ergibt sich diese aus der Summe der abgeführten Wärme aus dem Verdichter 5 Q_Verdichter und der abgeführten Wärme des dem Verdichter 5 nachgeschalteten Ladeluftkühlers 12 Q_{Ladeluftkühler} zu: Qgesamt = QVerdichter + QLadeluftkühler.
Die Entwicklung der Verdichterkühlung wird ab dem Anteil: Q_Verdichter / Q_gesamt > 15% mit steigender Tendenz für die Beibehaltung der einstufigen Aufladung und hohen AGR-Raten zur NOx-Reduktion sehr bedeutend. Die nachfolgenden Elemente werden bei dieser Anteilsgröße merklich vom Temperaturniveau entlastet. Bei Anteilen von Q_Verdichter / Q_gesamt > 2% sind die vorhandenen Serienwerkstoffe weitgehend unverändert anwendbar, was für die Ladeluftkühlerentwicklung unter Beibehaltung des AL-Werkstoffes einen großen Vorteil bedeutet.
In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verdichterradrückenkühlung dargestellt. Das Kühlfluid wird über zwei Düsen 35 auf den Radrücken 32 des Verdichterrades 8 aufgebracht. Zur Versorgung der Düsen 35 sind in 3 nicht näher dargestellte Versorgungsleitungen 24 im Gehäuse des Abgasturboladers 2 vorgesehen. Bei dem Kühlfluid kann es sich um Öl oder um Wasser handeln. Die Anordnung der Düsen 35 erfolgt nahe zu einer Drehachse 36 des Verdichters 5, welche der Achse der Welle 7 entspricht. Ein radialer Abstand a zwischen der Düsenmitte der Düse 35 und einer Außenfläche 37 der Welle 7 bzw. eines entsprechenden Nabenbereichs des Radrückens 32 des Verdichterrades 8 sollte höchstens etwa dem Radius der Welle 7 bzw. der Nabe des Radrückens 32 entsprechen. Ein eingeschlossener Winkel α zwischen Drehachse 36 und aus der Düse 35 austretendem Kühlfluid sollte in einem Bereich von etwa 0° bis 60° liegen.
Der Radrücken 32 setzt sich aus einem radialen Abschnitt 38, einem bogenförmigen Abschnitt 41 und einem axialen Abschnitt 39 zusammen. Der axiale Abschnitt 39 geht beispielsweise ohne Änderung des Durchmessers stufenlos in die Welle 7 über. Das Verdichterrad 8 ist vorzugsweise bohrungslos, d.h. ohne eine in 2 dargestellte Befestigungsschraube 40, an die Welle 7 angebunden. Die Verbindung von bohrungslosem Verdichterrad 8 und Welle 7 kann beispielsweise durch eine Klemmverbindung oder andere geeignete Verbindungsmöglichkeiten erfolgen. Die Verwendung eines bohrungslosen Verdichterrades 8 hat den Vorteil gegenüber einem Verdichterrad mit Bohrung, dass keine verschlechterte Wärmeleitung zwischen Wellenwerkstoff und Verdichterradwerkstoff vorliegt und dadurch eine verbesserte Kühlung erfolgen kann. Die bohrungslose Gestaltung des Narbenkörpers des Verdichterrades 8 führt zu einer stärkeren Temperaturabsenkung in den spannungskritischen Bereichen, so dass kostengünstig hergestellte Verdichterräder aus Standardaluminiumguss die geforderten höheren Ladedrücke bzw. Umfangsgeschwindigkeiten am Radaustritt des Verdichterrades 8 erfüllen können.
Der Übergang zwischen radialem Abschnitt 38 und axialem Abschnitt 39 des Radrückens 32 ist bogenförmig, wobei Kühlfluid über die Düsen 35 in den bogenförmigen Abschnitt 41 abgegeben wird, derart, dass es sich über die Zentrifugalkräfte des Verdichterrades 8 von der Nabe radial nach außen verteilt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids über den Radrücken 32. Durch die gleichmäßige Verteilung bzw. Benetzung mit Kühlfluid ergibt sich eine effiziente Kühlung des Radrückens 32 des Verdichterrades 8. Neben den dargestellten zwei Düsen 35 können selbstverständlich auch mehr Düsen vorgesehen sein.
Zum Abdichten des Verdichterrades 8 zwischen einem Verdichtungsraum 45 an einer Vorderseite 18 des Verdichterrades 8 mit den Verdichterschaufeln 47 und einem Kühlraum 46 im Radrückenbereich, ist der Übergang zwischen der Radvorderseite 18 des Verdichterrades 8 zum Radrücken 32 radial abgestuft mit unterschiedlichem Raddurchmesser ausgeführt, wobei ein radial überstehender Teil 49 über die Verdichterschaufeln 47 hinausragt. Zwischen dem radial überstehenden Teil 49 und einem an die Verdichterschaufel 47 axial anschließenden Vorderseitenabschnitt 50 ist eine Nut 51 vorgesehen. In entsprechend umgekehrt radial abgestufter Weise wie der Abschnitt 50 und der Teil 49 ist das Verdichtergehäuse 9 radial abgestuft ausgeführt, so dass sich eine Labyrinthdichtung zwischen dem Verdichtungsraum 45 und dem Kühlraum 46 ergibt, welche einen Übertritt von verdichteter Luft aus dem Verdichtungsraum 45 zu dem Kühlraum 46 weitgehend verhindert.
Wie die 3 zeigt, wird die Welle 7 mit dem Verdichterrad 8 von einem Axiallager 60 aufgenommen, welches üblicherweise von Öl geschmiert wird. Wird der Radrücken 32 mittels Spritzöl durch die Düsen 35 beaufschlagt, so kann dieses auch zur Schmierung der Lager, insbesondere des Axiallagers und auch eines Radiallagers, herangezogen werden. Das Lagergehäuse und der Kühlraum 46 stellen quasi eine Einheit ohne eine Abtrennung dar. Der Abfluss des Öls mit der darin aufgenommenen Wärme erfolgt in gewohnter Weise aus dem Abgasturbolader 2 heraus zu einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine.
Die 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlung des Radrückens 32 über zumindest eine Düse 35, bei dem alle gleichen oder gleichwirkenden Teile mit denselben Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels gekennzeichnet sind. Der Kühlraum 46 ist im Unterschied zu 3 über eine radiale Trennwand bzw. Trennwandung 65 von einem nicht näher dargestellten Lagerbereich 67 für das Axiallager und die Radiallager des Abgasturboladers 2 abgetrennt. Diese Ausführung ermöglicht die Verwendung von Wasser als Kühlfluid, da der Lagerbereich 67 vom Kühlbereich 46 abgedichtet ist. Das Kühlwasser wird über eine siphonähnliche Austrittskanalführung 55 aus dem Kühlraum 46 abgeführt und gelangt zum Beispiel in den autarken Kühlkreislauf mit Pumpe 22 und Wärmetauscher 23. Zur Rückführung des Kühlfluids ist dabei im Verdichtergehäuse 9 des Abgasturboladers 2 der siphonähnliche Austrittskanalverlauf 55 vorgesehen.
Das Öl sammelt sich zunächst in einem Sammelraum 56 und gelangt dann über den zweifach abgebogenen Austrittskanal 55 bzw. Austrittsleitung aus dem Abgasturbolader 2 hinaus. Die siphonähnliche Rückführung des Kühlfluids in dem Austrittskanal 55 hat den Vorteil, dass das Kühlfluid kaum mehr Verdichtungsluft bzw. sogenannte Blow-By-Mengen enthält, so dass eine Rückführung über die Pumpe 22 problemlos möglich ist. Das Kühlfluid fließt mittels der Schwerkraft ab. Die Auslegung des Austrittskanals 55 hat so zu erfolgen, dass keine unzulässig hohe Anstauhöhe des Kühlfluids im Kühlraum 46 entstehen kann. Zwischen den Düsen 35 und der Außenfläche 37 der Welle 7 bzw. einem Nabenbereich des Verdichterrades 8 sind zur Abdichtung gegenüber dem Lagerbereich 67 ein Kolbenring 70 vorgesehen. Es ist prinzipiell aber auch möglich, anstelle von Kühlwasser Öl zu verwenden.

Claims

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, der ein Verdichterrad aufweist, dessen Radrücken von einem Kühlfluid kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung des Radrückens (32) mit Kühlfluid zumindest eine Düse (35) vorgesehen ist, welche achsnah zu einer Drehachse (36) des Verdichterrades (8) angeordnet ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von einer Vorderseite (18) zum Radrücken (32) des Verdichterrades (8) abgestuft in Form einer Labyrinthdichtung erfolgt.
Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstufung von einer Vorderseite (18) mit verändertem Durchmesser mit oder ohne eine Nut (51) zum Radrücken (32) des Verdichterrades (8) hin erfolgt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialer Abstand (a) zwischen der Düsenmitte der Düse (35) und einer Außenfläche (37) einer zwischen Verdichter (5) und Turbine (3) vorgesehenen Welle (7) bzw. eines Nabenbereichs des Radrückens (32) des Verdichterrades (8) höchstens etwa dem Radius der Welle (7) bzw. der Nabe des Radrückens (32) entspricht.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ein Spiralgehäuse (21) des Verdichters (5) umgebenden Kühlraum (28) ein Kühlfluid zur Kühlung des Verdichters (5) strömt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Diffusorbereich (29) des Verdichters (5) in einem in einem Verdichtergehäuse (9) vorgesehenen Ringkanal (30) ein Kühlfluid zur Kühlung des Verdichters (5) strömt.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Düsen (35) vorgesehen sind, welche in einem Winkelbereich α von etwa 0°–60° zur Drehachse (36) des Verdichterrades (8) angeordnet sind.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid Öl oder im wesentlichen Wasser ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kühlfluid um ein Kältemittel handelt, das in einem niedrigen Temperaturbereich siedet bzw. verdampfen kann.
Abgasturbolader nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels unterhalb von 120° Celsius liegt.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluidabfuhr aus einem abgetrennt ausgeführten Kühlraum (46) des Verdichterrades (8) über eine siphonähnliche Kanalführung (55) im Abgasturbolader (2) erfolgt.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (8) ungebohrt ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass keine Trennwandung zwischen einem Raum (46) der Verdichterradkühlung und einem Raum (61) der Rotorlagerung (60) besteht.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr aus dem Verdichterbereich durch Kühlung der Luft im Verdichter (5) Q_Verdichter über 20% der Gesamtwärmeabfuhr Q_gesamt aus der verdichteten Luft beträgt, wobei für die Aufteilung der Gesamtwärmeabfuhr Q_gesamt die Summe aus Q_Verdichter und Wärmeabfuhr aus dem Ladeluftkühler (12) Q_{Ladeluftkühler} gilt: Qgesamt = QVerdichter + QLadeluftkühler.