DE112011102931T5

DE112011102931T5 - Kompressorrückführung in ringförmiges Volumen

Info

Publication number: DE112011102931T5
Application number: DE112011102931T
Authority: DE
Inventors: David G. Grabowska; Brock Fraser; Paul K. Anschel
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: DE112011102931B4; US11261873B2; RU2013111982A; US20150285257A1; WO2012030776A3; KR101741625B1; US20190055952A1; US20130152582A1; WO2012030776A2; CN103154466B; US9091232B2; CN103154466A; US10132324B2; KR20130138749A

Abstract

Um die Probleme einer Kompressorradschaufel-Strömungstrennung zu lösen, die Geräusche vom Druckwellentyp verursacht, wenn ein Kompressorrücksende- oder Kompressorrückführungsventil geöffnet oder geschlossen wird, wird eine Umleitluftströmung von einem Kompressorrückführungsventil in ein ringförmiges Volumen eingespeist, das zwischen inneren und äußeren Wänden definiert ist oder als radial expandierter, axial abgeflachter zylindrischer Raum im Kompressoreinlass geformt ist, so dass die im Allgemeinen unidirektionale radiale Strömung vom Kompressorrückführungsventil umgelenkt und geordnet wird, wenn sie von im Allgemeinen radial in im Allgemeinen axial umgewandelt wird, wobei sie sich mit der allgemeinen Einlassströmung vereinigt und dem Kompressorrad eine Luftströmung mit ”auf dem Umfang gleichmäßiger” Strömungsgeschwindigkeit präsentiert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist auf die Konfiguration eines Turboladerkanals gerichtet, der in eine Kompressorabdeckung integriert ist, der Umleitluft von einem Kompressorauslass zu einem Kompressoreinlass in der Weise zuführt, dass keine Druckwellenereignisse und kein Geräusch verursacht werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbolader liefern Luft mit größerer Dichte, als es in der nicht aufgeladenen Konfiguration möglich wäre, zum Motoreinlass, was ermöglicht, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird, wobei somit die Leistung des Motors ohne signifikante Erhöhung des Motorgewichts verstärkt wird. Ein kleinerer Motor mit Turbolader kann einen nicht aufgeladenen Motor mit einer größeren physikalischen Größe ersetzen, wobei somit die Masse und aerodynamische Frontfläche eines Fahrzeugs verringert werden.
Turbolader sind ein Typ von Aufladesystem, das die Abgasströmung, die in das Turbinengehäuse vom Motorauslasskrümmer eintritt, verwendet, um ein Turbinenrad (51) anzutreiben, das in einem Turbinengehäuse (2) angeordnet ist. Das Turbinenrad ist fest an einer Welle befestigt, so dass dies zur Wellen- und Radanordnung wird. Die Hauptfunktion des Turbinenrades ist das Gewinnen von Drehleistung aus dem Abgas und die Verwendung dieser Leistung, um den Kompressor anzutreiben.
Die Kompressorstufe besteht aus einem Rad (20) und seinem Gehäuse (10). Das Kompressorrad (20) ist an einem Wellenstumpfende der Wellen- und Radanordnung montiert und wird durch die Klemmlast von einer Kompressormutter in der Position gehalten. Gefilterte Luft wird durch die Drehung des Kompressorrades mit sehr hoher Drehzahl axial in den Einlass (14) der Kompressorabdeckung gesaugt. Die Turbinenstufe treibt das Kompressorrad an, um eine Kombination von statischem Druck mit gewisser restlicher kinetischer Energie und Wärme zu erzeugen. Das Druckgas verlässt die Kompressorabdeckung durch einen Kompressorauslass (15) und wird gewöhnlich über einen Zwischenkühler zum Motoreinlas zugeführt.
Eine Kompressordruckwelle tritt auf, wenn der Kompressor versucht, mehr Massenströmung zum Motor zu liefern als es bei der existierenden Motorbetriebsbedingung möglich ist, d. h. aerodynamischer Strömungsabriss. Die Kompressorstufe beginnt hinsichtlich des Drucks zu schwingen: Massenströmung, Drehzahl und aerodynamischer Nettoschub. Die Schwingungsinstabilität kann für den Turbolader ziemlich schädigend sein, was auch ein irritierendes Geräusch erzeugt, das vom Fahrer gehört werden kann und gewöhnlich als ”Bellen” oder ”Krächzen” bezeichnet wird. Der Ort der Druckwelle für eine gegebene Kompressorkonstruktion kann als Funktion des Drucks und der Massenströmung bei einer gegebenen Drehzahl beschrieben werden.
Bei Motoren mit Kompressionszündung (CI) wird Luft direkt in den Zylinder eingeleitet. Die Luft wird durch den Kolben beim Kompressionshub komprimiert und der Kraftstoff wird in die erhitzte komprimierte Luft eingespritzt, direkt bevor der Kolben den oberen Totpunkt (TDC) erreicht.
Bei CI-Motoren mit Turbolader wird die Massenströmung von Luft durch den Turboladerausgang geliefert und die Kraftstoffströmung wird dosiert und direkt in die Brennkammer eingespritzt. Einige CI-Motoren sind mit Drosselklappen ausgestattet.
Motoren mit Funkenzündung (SI) können die Verbrennungsluft mit Kraftstoff im Einlasskrümmer mischen. Das resultierende Luft/Kraftstoff-Gemisch wird durch ein Drosselventil vor dem Eintritt in die Brennkammer gesteuert. Das Drosselventil oder die Drosselplatte ist typischerweise in einem Drosselkörper mit relativ engen Toleranzen angeordnet und hat die Fähigkeit, die Luftströmung zum Motor abzusperren. SI-Motoren können auch Kraftstoff direkt in den Zylinder einspritzen.
”Fahrpedaltreten” ist der Begriff, der zur Bezugnahme auf die Handlung des Fußes des Fahrers, der das Fahrpedal herabtritt, um die Motorlast einzustellen, verwendet wird. Die Motordrehzahl kann beispielsweise beim Hochfahren eines Hügels dieselbe bleiben, oder der Motor kann von einer niedrigen Motordrehzahl auf eine höhere Motordrehzahl erhöhen. ”Fahrpedallösen” ist der Begriff, der zur Bezugnahme auf die entgegengesetzte Handlung des Fußes des Fahrers, der sich vom Pedal abhebt, verwendet wird.
Kompressorrückführungsventile (CRV) und die Kanäle, die den Auslass vom Kompressor mit dem Einlass in das Ventil und den Auslass vom Ventil mit dem Einlass des Kompressors verbinden, nachstehend gemeinsam ”CRV-System”, werden heute in vielen SI- und CI-Motoren oder Motoren, die Drosselplatten für die Luftsteuerung verwenden, typischerweise um eine Druckwelle zu verhindern, verwendet. Das Schließen der Drosselplatte beim Fahrpedallösen schließt beispielsweise den Kanal vom Kompressorauslass zum Motoreinlass und bewirkt eine plötzliche Verringerung der Kompressorströmung, was dazu führt, dass die Kompressorstufe eine Druckwelle erleidet. CRV-Systeme liefern im Allgemeinen Luft vom Kompressorauslasskanal (dem Kanal, der in Abhängigkeit von der Motorkonfiguration den Kompressorauslass mit dem Motoreinlass oder Zwischenkühler verbindet) zum Kanal stromaufwärts des Kompressoreinlasses oder direkt zum Kompressoreinlass.
Der Ausgang des Kompressorrückführungsventils kann mit dem Kompressoreinlass durch einen Kanal zum Kompressoreinlass oder Kanal zum Kompressorrad verbunden sein. Alternativ können das Kompressorrückführungsventil und der Kanal ein Teil des Kompressorabdeckungsgussstücks sein. Ebenso kann der Eingang in das Kompressorrückführungsventil ein Kanal sein, der das CRV mit dem Kompressorauslass verbindet, oder der Eingang in das CRV kann ein Teil der Kompressorabdeckung sein.
Das CRV-System kann mit dem Kompressor durch einen Kanal zum Kompressor in mehreren Weisen verbunden sein. Einige Systeme weisen eine Rohrleitung vom Kompressorauslass zum CRV-Ventil und dann vom CRV-Ventil zum Umgebungseinlasskanal vom Luftfilter oder sogar vom Kompressoreinlasskanal auf; einige weisen nur Teile dieser Anordnung auf (beispielsweise kann das CRV am Kompressorabdeckungsauslass mit einem flexiblen Rohr zum Kompressoreinlass montiert sein); bei einigen ist das CRV direkt in die Kompressorabdeckung integriert. Die Erfindung lehrt das Verfahren zum Lenken von zurückgeführter Luft zum Kompressorrad ungeachtet der Konstruktion, durch die die CRV-Anordnung montiert sein kann.
Wenn das CRV-Ventil geöffnet wird, tritt ein Volumen von Hochdruck-Kompressorauslassluft radial in den Kompressoreinlass ein, die sich mit dem axial strömenden Hauptstrom vereinigt, was einen plötzlichen Zustrom von Luft durch die Öffnung im Kompressorabdeckungs-Inducer (nachstehend definiert) verursacht und ein Hohlraumresonanzgeräusch gleich jenem beim Blasen über die Öffnung im Hals einer Flasche verursachen kann. Dieses Geräusch kann auch für den Fahrer irritierend sein. In 2A wird die Einlassluft (61) axial in und durch das Kompressorrad (20) gesaugt, komprimiert und aus dem Kompressorrad durch den Diffusor (11) in das Spiralgehäuse (12) ausgestoßen, wo die Geschwindigkeitskomponente der Luft vom Kompressorrad und vom Diffusor gesammelt und in Druck umgesetzt wird. Typischerweise existiert ein CRV (80), das eine Umleitströmung von Druckluft (62) vom Kompressorauslass (15) steuert. Wenn sich das CRV (80) in der offenen Position befindet oder in Richtung der offenen Position moduliert wird, wird die Umleitluft (64) in einen Umleitkanal (16) eingelassen und von dort in den Kompressoreinlass eingelassen (z. B. den Bereich direkt stromaufwärts der Kompressorrad-Vorderkante (24)).
Da der Kanal (16), wenn er fluidtechnisch den Kompressorauslass (15) mit dem CRV; und das CRV mit dem Kompressorstufeneinlass (14) verbindet; die unidirektional, im Allgemeinen radial strömende, Hochdruck-Umleitluft direkt in den axial strömenden Haupteinlassluftstrom (61) und dann in den Inducer-Bereich (14a) ausgibt, ist die Geschwindigkeitsverteilung über die Ebene der Vorderkanten (24) des Kompressorrades nicht gleichmäßig. Dieses Fehlen von auf dem Umfang gleichmäßiger Luftströmungsgeschwindigkeit wird in das Kompressorrad gesaugt, was zu einer gewissen Strömung führt, die auf die Schaufeln ausgerichtet ist, und einer gewissen Strömung, die nicht auf die Schaufeln ausgerichtet ist. Einige Schaufeln werden vollständig belastet, während einige Schaufeln sich unter einer Unterdruckbedingung befinden können.
2B ist eine Ansicht des Schnitts ”A-A” von 2A. In 2B ist die im Allgemeinen radiale Luftströmung in einer Draufsicht dargestellt. In dieser Schnittansicht wird die Luftströmung (64) vom Auslasskanal (15, 15a) in den CRV-Kanal (16) eingeführt, der das CRV mit dem Kompressoreinlass verbindet. Die im Allgemeinen radiale Luftströmung (65) vom CRV-Kanal strömt direkt in die axiale Hauptkompressoreinlassströmung (61) ohne die Gelegenheit, dass die vereinigte Luftströmung konditioniert wird; folglich ist die vom Kompressorrad aufgenommene Luft von einem Geschwindigkeitsstandpunkt im Allgemeinen unkonditioniert.
Diese Kanalkonfiguration verursacht einen Druckgradienten über dem Einlass in das Kompressorrad, der, wenn er stark ist, eine ungleichmäßige Schaufelbelastung der Kompressorradschaufeln verursachen kann. Diese Anregung kann zu einer Dauerschwingbeanspruchung (HCF) der Schaufeln führen. Außerdem verursacht diese Kanalkonfiguration auch das vorstehend beschriebene Druckwellengeräusch. Dieses Phänomen verursacht auch eine Verringerung der Stufeneffizienz, wenn das CRV offen ist.
Somit ist zu sehen, dass das ”Ausgeben” der Kompressorumleitströmung direkt in das Kompressorrad nicht nur ein Geräusch, sondern auch das Potential für einen Kompressorradschaufelausfall und einen allgemeinen Verlust an Effizienz, wenn das CRV offen ist, verursacht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es bestand ein Bedarf, die Probleme des Geräuschs, das während des einen oder der mehreren CRV-Öffnungs- und/oder Schließereignisse erzeugt wird, zu lösen.
Die Erfinder lösten die Probleme durch Schaffen eines ringförmigen Übergangshohlraums, der den Inducer umgibt, in dem die Vereinigungsluftströmung konditioniert wird und eine Luftströmung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit und Richtung zum Inducer und folglich zum Kompressorrad erzeugt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist als Beispiel und nicht zur Begrenzung in den begleitenden Zeichnungen dargestellt, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile angeben und in denen:
1 einen Schnitt einer typischen Turboladeranordnung darstellt;
2A einen Schnitt einer Kompressorabdeckung mit einem Umleitventil darstellt;
2B einen Schnitt A-A der Abdeckung von 2A darstellt;
3A einen Schnitt der erfindungsgemäßen Kompressorabdeckung darstellt;
3B einen Schnitt B-B der Abdeckung von 3A darstellt;
4A einen Schnitt der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4B einen Schnitt B-B der Abdeckung von 4A darstellt;
5A eine Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5B einen Schnitt C-C der Abdeckung von 5A darstellt;
6A eine Variation der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
6B einen Schnitt B-B der Abdeckung von 6A darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Für den Aerodynamiker kann die Luftströmung durch eine Kompressorstufe ziemlich komplex mit einem hohen Grad an Präzision zu beschreiben sein. Für Zwecke des Verständnisses der Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Erörterung der Luftströmung erheblich vereinfacht werden. Es ist einfach erforderlich zu verstehen, dass im erfindungsgemäßen Kanal die vom CRV-Kanal in den Kompressoreinlass zugeführte Luft nicht aus einer Richtung eintritt (d. h. wie der Kanalauslass im herkömmlichen CRV-System), sondern bewirkt wird, dass sie im Allgemeinen gleichmäßig um den Umfang des Kompressoreinlasses verteilt wird, bevor sie in die axiale Hauptluftströmung eingeführt und damit vereinigt wird. Im Folgenden wird die erfindungsgemäße IGV-Systemkonstruktion und die Luftströmung durch den erfindungsgemäßen Kompressor genauer beschrieben, wenn jedoch die Strömung erörtert wird, werden nur die Hauptrichtungen der Strömung verwendet. Im Allgemeinen werden Artefakte wie z. B. Wirbel, Strudel und Turbulenz nicht berücksichtigt. Wenn nicht anders angegeben, sollen die folgenden Begriffe die folgenden Bedeutungen haben:
”Im Allgemeinen radial” bezieht sich auf die Strömungskomponente, die im Allgemeinen von der Achse weg strömt oder in deren Richtung konvergiert, die eine Fortsetzung der Kompressorradachse ist, und eine Strömung mit einer gewissen nicht rein radialen Komponente umfasst (z. B. axiale Komponente oder tangentiale Komponente).
”Im Allgemeinen axial” bezieht sich auf die Strömungskomponente, die im Allgemeinen parallel zur Achse des Turboladers strömt, selbst wenn die Strömung einen gewissen Wirbel oder eine nicht-parallele Komponente aufweist.
”Stromaufwärts” und ”stromabwärts” sind in Bezug auf die Hauptkomponente der Strömung, d. h. die Strömung, die vom Kompressoreinlass zum Kompressorrad strömt. Diese Begriffe beziehen sich nicht auf die unmittelbare Strömung im CRV-Kanal, im ringförmigen Hohlraum oder in dem radial komprimierten, axial expandierten Volumen, das sich vom Kompressoreinlass erstreckt.
”Axial abgeflachtes, radial expandiertes Volumen” bedeutet, dass die Form der typischerweise zylindrischen, aber häufig gekrümmten oder nicht zylindrischen Kanalwand (22) modifiziert ist, indem sie radial expandiert ist, wobei die radiale Expansion größer ist als die axiale Höhe.
Die Erfinder bestimmten durch Testen, dass für 0,03 Sekunden während der Öffnung des CRV ein Krächzgeräusch bestand. Durch Modellierung der Rechenfluiddynamik (CFD) wurde festgestellt, dass die Geräusche an der Ausgabe der unkonditionierten Umleitluft vom Kompressorauslass in den unteren Kompressoreinlass und von dort in den Inducer des Kompressorrades lagen. Die primäre Geschwindigkeitskomponente der Strömung vom CRV-Kanal ist unidirektional oder nahezu unidirektional und im Allgemeinen radial, folglich im Allgemeinen senkrecht zur axialen Geschwindigkeit der Hauptkompressorströmung. Damit die Kompressorradschaufeln gleichmäßig belastet werden, muss die (im Allgemeinen unidirektional radiale) CRV-Strömung in eine im Allgemeinen gleichmäßige axiale Strömung umgewandelt werden, bevor sie in das Kompressorrad aufgenommen wird. Ohne irgendetwas, um die Strömung zu kanalisieren und dieselbe gleichmäßig zu erhalten, d. h. gleichmäßig um 360°, wobei die Strömung auf die axiale Hauptkompressoreinlassströmung überführt und somit ausgerichtet wird, mischt sich die CRV-Strömung nicht gut; somit enden die Kompressorräder mit der Aufnahme von stark desorganisierter Strömung. Einige Schaufeln werden vollständig belastet, während einige Schaufeln sich praktisch in einem Vakuum befinden.
Wie in 2A, 2B dargestellt, wird durch das Kompressorrad (20) komprimierte Luft in den Diffusor (11) und in das Spiralgehäuse (12) getrieben, wo die Geschwindigkeit von Luft vom Kompressor und Diffusor gesammelt wird. Die Luft wird dann zum Kompressorauslass (15) gelenkt, wo er typischerweise mit einem Kanal verbindet, der die Luft zum Fahrzeugzwischenkühler und von dort zum Motoreinlasskrümmer lenkt. Wenn das CRV (80) geöffnet ist, strömt ein gewisser Teil der Luft (63) im Kompressorauslass durch einen CRV-Kanal (16), der fluidtechnisch den Hochdruck-Kompressorauslass (15) mit dem Kompressoreinlass (14) mit (relativ) niedrigem Druck verbindet. Die Luftströmung (64, 64a) in den Kanal (16) wird durch die Position des CRV (80) gesteuert. Wenn das CRV offen ist, ”läuft” die Luftströmung (64) im CRV-Kanal unidirektional und im Allgemeinen senkrecht zur Hauptachse der Strömung in den Kompressoreinlass (14). Es wurde festgestellt, dass die Luftströmung im Kompressoreinlass (14) nicht gleichmäßig verteilt wurde, wenn sie auf die Ebene der Vorderkanten (24) des Kompressorrades auftraf. die Erfinder stellten fest, dass sowohl die Richtung der ankommenden Strömung als auch die Umfangsverteilung um die Kompressorradachse nicht gleichmäßig waren, was zu einer unerwünschten Schaufelanregung mit dem Potential für eine Dauerschwingbeanspruchung (HCF) der Kompressorradschaufeln führte, gekoppelt mit einem Effizienzverlust für die Dauer jedes CRV-Ereignisses. Es wurde auch berichtet, dass für die Zeitdauer der CRV-Öffnung und Schließung unerwünschte Geräusche vorlagen, die vom Turbolader kamen. Diese Geräusche wurden bis zu den CRV-Ereignissen verfolgt. Die Erfinder konstruierten eine neue Konfiguration für den Einlass von der CRV-Umleitung zum Kompressorrad-Inducer, so dass das ankommende ”Depot” von Hochdruckluft weder das ”Zischen” der Luft durch die Öffnung im Kompressoreinlass noch das ”Krächzen” aufgrund des Druckwellenereignisses, wenn das CRV beim Abschluss des Ereignisses schloss, erzeugte.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 3A, 3B dargestellt, umfasst das Kompressorgehäuse einen Kompressoreinlass (14) stromaufwärts des Kompressorrades und einen Kompressorauslass (15) stromabwärts des Kompressorrades, wobei der Einlass eine äußere Kanalwand (22), die sich vom Kompressorrad in einer Stromaufwärtsrichtung weg erstreckt und einen Gaseinlassabschnitt im oberen Einlassabschnitt bildet; eine innere Kanalwand (21) innerhalb der äußeren Kanalwand mit einem unteren Einlassabschnitt, der sich vom Kompressorrad stromaufwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades weg erstreckt, und einen Inducer-Abschnitt (14a) stromabwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades umfasst; und einen ringförmigen Hohlraum (23), der zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand definiert ist, mit einer ringförmigen Öffnung des ringförmigen Hohlraums (23) am stromaufseitigen Ende der inneren Kanalwand zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand, wobei der Kompressor ferner ein Kompressorrücksendeventil-System mit einem Kompressorrückführungsventil (CRV) (80) und einem Umleitkanal, der den Kompressorauslass (15) fluidtechnisch mit dem ringförmigen Gasdurchgang verbindet, umfasst.
Die im Allgemeinen zylindrische innere Oberfläche der Innenwand (21) ist als Inducer (14a) bekannt (für die Zone, in der die Wand (14a) zum Kompressorradprofil (27) benachbart ist und der Einlass (14) über den Vorderkanten der Kompressorradschaufeln liegt). Die äußere Oberfläche dieser im Allgemeinen zylindrischen Innenwand ist die Innenwand des ringförmigen Hohlraums (23). Die Außenseite des im Allgemeinen zylindrischen ringförmigen Hohlraums (23) ist die im Allgemeinen zylindrische innere Oberfläche der Außenwand (22).
Die untere Grenze des im Allgemeinen ringförmigen Hohlraums ist typischerweise durch Gießkernanforderungen und den Wunsch, ein gewisses Volumen unter dem Eingang des CRV-Kanals (16) in den ringförmigen Hohlraum (23) zu haben, definiert. Die obere Grenze des ringförmigen Hohlraums ist unbegrenzt, ausgenommen die Höhe der Innenwand (21), die so nahe wie möglich an jener von nicht weniger als 0,5 D_i gehalten werden sollte, wobei D_i der Inducer-Durchmesser ist. Die Höhe dieser Wand hat eine Auswirkung auf die Kennfeldbreite.
3A und 3B stellen eine Ausströmung (62) von komprimierter Luft aus dem Kompressor (20) in den Zwischenkühler und den Motor dar. Eine Umleitluftströmung (63) strömt in den CRV-Kanal (16) . Ein CRV (80) steuert den Durchgang der Umleitluft (64) durch einen Umleitkanal (16), der fluidtechnisch den Kompressorauslass (15) mit dem Kompressoreinlass (14) verbindet. Mit dem CRV (80) in einem geöffneten Zustand bewegt sich eine Kompressorauslass-Umleitluftströmung (63, 64) im CRV-Kanal (16). Eine vorwiegend radiale Luftströmung (64) vom CRV-Kanal (16) strömt in und um (66) den ringförmigen Hohlraum (23). Die Luftströmung (64) vom ringförmigen Hohlraum, die nun gleichmäßig um die 360° der Kompressoreinlasswand (21) verteilt ist, strömt in einer im Allgemeinen axialen Richtung aufwärts und über (68) das obere Ende der Innenwand (21), wobei sie sich mit der im Allgemeinen axialen ankommenden Luftströmung (61) von einem Motorluftfilter vereinigt, die den Kompressorrad-Vorderkanten (24) eine Luftströmung (70 plus 61) präsentiert, die nun auf dem Umfang gleichmäßig über die Ebene der Vorderkanten (24) des Kompressorrades verteilt ist.
In einer Variation an der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie in 4A und 4B dargestellt, im Fall, in dem eine größere Kennfeldbreite erforderlich ist, kann dies durch Zurückgreifen auf eine Inducer-Rückführungskompressorabdeckung bereitgestellt werden. In diesem Fall dient der ringförmige Hohlraum (23) einer doppelten Funktion. Die erste Funktion ist jene eines Volumens und eines Weges für die Kompressor-Inducer-Rückführung; die zweite Funktion ist wie jene der ersten Ausführungsform der Erfindung. Um den im Allgemeinen zylindrischen Teil der Innenwand (21) abzustützen, die in dieser Ausführungsform vom unteren Teil (21a) der Innenwand durch einen Rückführungsschlitz (25) getrennt ist, sind Streben (94) vorgesehen. Die Streben (94) sind typischerweise ein Teil des Gussstücks und dienen keinem strukturellen Zweck, bis der Inducer-Rückführungsschlitz (25) durch die Innenwand (21) geschnitten wird, wobei folglich der obere Teil der Innenwand vom unteren Teil der Innenwand getrennt wird.
Die Streben sind typischerweise vertikal, axial und linear im Querschnitt, könnten jedoch geneigt oder nichtlinear sein, um eine gleichmäßigere Strömung über das obere Ende der Innenwand in das Kompressorrad zu fördern.
In einer anderen Variation an der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Streben geneigt oder verdreht, so dass die Strömung vom CRV-Kanal eine gewisse Rotation (um die Kompressorrad-Mittellinie) zu diesem aufweist von: entweder nur der Orientierung und Konstruktion der Streben; einem nur tangentialen Auslass vom CRV-Kanal in den ringförmigen Hohlraum; oder mit einem Beitrag von beiden Konstruktionselementen. Da eine Prorotation (in Bezug auf die Rotation des Kompressorrades) der Luft, die in das Kompressorrad eintritt, eine Kennfeldverschiebung verursacht, wobei das Kennfeld von einer Druckwelle weg bewegt wird, hilft das Öffnen des CRV-Ventils, eine Druckwelle für die Übergangsdauer des CRV-Öffnungsereignisses zu verhindern.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in 5A und 5B dargestellt, gehen die Luftströmungen (63, 64, 64a) vom Kompressorauslass (15), die durch das CRV (80) gesteuert werden, nicht in einen separaten ringförmigen Hohlraum ein, der die Innenwand (21) umgibt, sondern gehen im Allgemeinen radial in ein axial abgeflachtes, radial expandiertes zylindrisches Volumen (nachstehend ”expandiertes zylindrisches Volumen”) ein, das um den Kompressoreinlass angeordnet ist, der axial zwischen dem Einlass in die Kompressorabdeckung und der Vorderkante des Kompressorrades angeordnet ist. Das zylindrische Volumen ist durch eine im Allgemeinen zylindrische Außenwand (92) und eine stromaufseitige (relativ zur Hauptachse der Strömung (61)) im Allgemeinen planare Wand (90), die zur Hauptachse der Strömung im Allgemeinen senkrecht ist, und eine stromabseitige im Allgemeinen planare Wand (91), die auch zur Hauptachse der Strömung im Allgemeinen senkrecht ist, begrenzt. Diese Wände werden als im Allgemeinen senkrecht und im Allgemeinen parallel zur Achse der Strömung beschrieben, um Gussstückentformungsschrägen zu ermöglichen. In der bevorzugten Art sind die stromaufseitigen und stromabseitigen, im Allgemeinen senkrechten Wände flach, aber sie könnten durch Krümmungen definiert sein. Die kritische Funktion des abgeflachten expandierten zylindrischen Volumens ist jene der Luftströmung, obwohl es von einem Produktionsstandpunkt kritisch ist, dass die Werkzeugausrüstung zurückziehbar ist.
Wie in der ersten Ausführungsform der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, ist die untere Grenze des im Allgemeinen ringförmigen Hohlraums typischerweise durch Gießkernanforderungen und den Wunsch, ein gewisses Volumen unter dem Eingang des CRV-Kanals (16) in den ringförmigen Hohlraum (23) zu haben, definiert. Die obere Grenze des ringförmigen Hohlraums ist unbegrenzt, ausgenommen die Höhe der Innenwand (21), die so nahe wie möglich an jener von nicht weniger als 0,5 D_i gehalten werden sollte, wobei D_i der Inducer-Durchmesser ist. Die Höhe dieser Wand hat eine Auswirkung auf die Kennfeldbreite.
Die Ausströmung (62) der komprimierten Luft aus dem Kompressor (20) geht zum Zwischenkühler und zum Motor. Die Umleitluftströmung (63) strömt in den CRV-Kanal. Ein CRV (80) steuert den Durchgang der Umleitluft (64) durch einen Umleitkanal (16), der den Kompressorauslass (15) mit dem expandierten zylindrischen Volumen fluidtechnisch verbindet. Mit dem CRV (80) in einem geöffneten Zustand bewegt sich eine Kompressorauslass-Umleitluftströmung (63, 64, 64a) im CRV-Kanal (16). Die Luftströmung vom CRV-Kanal strömt im Allgemeinen radial in und dann um das expandierte zylindrische Volumen. Die Luftströmung (67) vom expandierten zylindrischen Volumen wird von radial oder im Allgemeinen radial in im Allgemeinen axial umgewandelt, wenn sie das expandierte zylindrische Volumen durchquert und in den unteren Teil des Kompressoreinlasses eintritt, wo sie sich mit der axialen Hauptkompressoreinlassströmung (61) vereinigt, und dann zu den Kompressorrad-Vorderkanten (24). Da die im Allgemeinen radiale Luftströmung (67) vom CRV-Kanal in die im Allgemeinen axiale Luftströmung (70) umgewandelt wird, die für das Kompressorrad geführt wird, erlangt die Luftströmung eine gewisse axiale Geschwindigkeit von der Hauptkompressoreinlassströmung (61), um zu ermöglichen, dass das Kompressorrad eine stark geordnete Strömung aufnimmt, die relativ gleichmäßige Schaufelbelastungen erzeugt.
In der bevorzugten Art der zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die äußere im Allgemeinen vertikale Wand des zylindrischen Volumens im Allgemeinen zylindrisch und die oberen und unteren Wände des zylindrischen Volumens sind im Allgemeinen flach und im Allgemeinen horizontal. In einer Variation an der zweiten Ausführungsform der Erfindung können die Wände mehr unsymmetrische komplexe Formen sein, die durch die Eintrittsbedingungen des Kanals vom CRV in das zylindrische Volumen definiert sind, so dass die Ausströmung aus dem zylindrischen Volumen in Richtung der Kompressorrad-Vorderkante auf dem Umfang gleichmäßig zum unteren Teil des Kompressoreinlasses verteilt wird.
In 6A und 6B entwickelten die Erfinder eine komplexere Form (98), um die im Allgemeinen radiale Luftströmung (62) vom CRV-Kanal in die im Allgemeinen axiale auf dem Umfang gleichmäßig verteilte Luftströmung (67 und 65) in den unteren Teil des Kompressoreinlasses, wo sie sich mit der axialen Hauptkompressoreinlassströmung (61) vereinigt, und dann zur Kompressorrad-Vorderkante (24) zu handhaben. Diese Luftströmungsänderung in der Richtung und Art wird mit einer unsymmetrischen Geometrie für sowohl die äußere im Allgemeinen vertikale Wand (98) des zylindrischen Volumens als auch die obere (96) und untere (97) im Allgemeinen horizontale Wand des zylindrischen Volumens ausgeführt. Da die im Allgemeinen radiale Luftströmung (69) vom CRV-Kanal in die im Allgemeinen axiale Luftströmung (70) umgewandelt wird, die für das Kompressorrad geführt wird, erlangt die Luftströmung eine gewisse axiale Geschwindigkeit von der Hauptkompressoreinlassströmung (61), um zu ermöglichen, dass das Kompressorrad eine stark geordnete Strömung (61, 70) aufnimmt, die relativ gleichmäßige Schaufelbelastungen erzeugt.
Das erfindungsgemäße Konzept der Überführung der im Allgemeinen unidirektionalen radialen Umleitluftströmung vom Kompressorrückführungsventil durch ein ringförmiges Volumen, so dass sie auf dem Umfang verteilt wird, bevor sie die im Allgemeinen axiale Luftströmung des Kompressoreinlasses erreicht, wobei sie sich gleichmäßig mit der allgemeinen axialen Einlassströmung vereinigt und dem Kompressorrad eine Luftströmung mit ”auf dem Umfang gleichmäßiger” Strömungsgeschwindigkeit präsentiert, ist nicht auf die Rückführung von Luft innerhalb des Kompressors begrenzt, sondern ist auf das Lösen von ähnlichen Situationen anwendbar, in denen die Gleichmäßigkeit der Einführung von Gas von einer radialen Strömung in eine axiale Strömung erwünscht ist, z. B. die Einführung einer Abgasrückführung (AGR) von einem Motorauslasskrümmer in die Luftströmung stromaufwärts eines Kompressors. Indem sie vor dem Vereinigen überführt wird, kann auch hier das Problem der Kompressorradschaufel-Strömungstrennung überwunden werden.

Claims

Kompressor zum Komprimieren von Gas, wobei der Kompressor Folgendes umfasst: ein Kompressorrad (20) mit mehreren Schaufeln, von denen jede eine Vorderkante (24), eine Hinterkante und eine äußere freie Kante umfasst, wobei das Rad zur Drehung innerhalb eines Gehäuses angebracht ist, wobei das Gehäuse einen Kompressoreinlass (14) stromaufwärts des Kompressorrades und einen Kompressorauslass (15) stromabwärts des Kompressorrades umfasst, wobei der Einlass Folgendes umfasst: eine äußere Kanalwand (22), die sich vom Kompressorrad in einer Stromaufwärtsrichtung weg erstreckt und einen Gaseinlassabschnitt im oberen Einlassabschnitt bildet, eine innere Kanalwand (21) innerhalb der äußeren Kanalwand mit einem Einlassabschnitt (14), der sich vom Kompressorrad stromaufwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades weg erstreckt, und einem Inducer-Abschnitt (14a) stromabwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades, und einen ringförmigen Hohlraum (23), der zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand definiert ist, mit einer ringförmigen Öffnung des ringförmigen Hohlraums (23) am stromaufseitigen Ende der inneren Kanalwand zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand, wobei der Kompressor ferner ein Kompressorrücksendeventil-System mit einem Kompressorrückführungsventil (CRV) (80) umfasst, das einem Umleitkanal zugeordnet ist, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorauslass (15) und dem ringförmigen Hohlraum (23) schafft.
Kompressor nach Anspruch 1, der ferner mindestens einen Inducer-Rückführungsschlitz in der inneren Kanalwand (21) stromaufwärts des Inducers umfasst.
Kompressor nach Anspruch 2, wobei der Inducer-Rückführungsschlitz (25) im Wesentlichen ringförmig ist.
Kompressor nach Anspruch 1, wobei die innere Kanalwand (21) und die äußere Kanalwand (22) im Allgemeinen koaxial sind.
Kompressor nach Anspruch 1, der ferner mindestens eine Strömungsrichtungs-Steuervorrichtung umfasst, die im ringförmigen Hohlraum angeordnet ist.
Kompressor nach Anspruch 5, wobei die Strömungsrichtungs-Steuervorrichtung mindestens eine Strebe umfasst.
Kompressor nach Anspruch 1, wobei die Luft, die aus dem CRV-Auslass strömt, tangential in den ringförmigen Hohlraum eintritt.
Kompressor zum Komprimieren von Gas, wobei der Kompressor Folgendes umfasst: ein Kompressorrad (20) mit mehreren Schaufeln, von denen jede eine Vorderkante (24), eine Hinterkante und eine äußere freie Kante umfasst, wobei das Rad zur Drehung innerhalb eines Gehäuses angebracht ist, wobei das Gehäuse einen Kompressoreinlass (14) stromaufwärts des Kompressorrades und einen Kompressorauslass (15) stromabwärts des Kompressorrades umfasst, wobei der Einlass eine Kanalwand (22) umfasst, die sich vom Kompressorrad in einer Stromaufwärtsrichtung weg erstreckt und ein axial abgeflachtes, radial expandiertes zylindrisches Volumen, das in den Kompressoreinlass (14) ringförmig offen ist, axial stromaufwärts der Vorderkante des Kompressorrades umfasst, wobei der Kompressor ferner ein Kompressorrücksendeventil-System mit einem Kompressorrückführungsventil (CRV) (80) umfasst, das einem Umleitkanal zugeordnet ist, der eine Fluidverbindung zwischen dem Kompressorauslass (15) und dem axial abgeflachten, radial expandierten zylindrischen Volumen schafft.
Kompressor nach Anspruch 8, wobei das axial abgeflachte, radial expandierte zylindrische Volumen zum Kompressoreinlass (14) im Allgemeinen koaxial ist.
Kompressor nach Anspruch 8, wobei das axial abgeflachte, radial expandierte Volumen ein Zentrum aufweist, das zum Kompressoreinlass (14) nicht koaxial ist.
Kompressor nach Anspruch 8, wobei die Tiefe der radialen Expansion des axial abgeflachten, radial expandierten Volumens größer ist als die axiale Höhe des expandierten Volumens.
Niederdruck-AGR-System für einen Verbrennungsmotor, das Folgendes umfasst: einen Kompressor zum Komprimieren von zum Motor zuzuführender Luft; eine Turbinenstufe mit einem Turbinengehäuse mit einem Abgaseinlass zum Empfangen von Abgas vom Motor und einem Abgasauslass und einem Turbinenrad, das durch das Abgas vom Motor angetrieben wird; einen Abgasrückführungskanal, durch den zum Motor zurückzuführende Abgase in den Kompressor eingeführt werden; und einen Ladeluftkanal, durch den die im Kompressor komprimierte Luft zum Motor zugeführt wird, wobei der Kompressor Folgendes umfasst: ein Kompressorrad (20), das durch das Turbinenrad angetrieben wird und mehrere Schaufeln umfasst, von denen jede eine Vorderkante (24), eine Hinterkante und eine äußere freie Kante umfasst, wobei das Rad zur Drehung innerhalb eines Gehäuses angebracht ist und zwischen einer gedrosselten Strömung und einer Druckwellenleitung betriebsfähig ist, wobei das Kompressorgehäuse einen Kompressoreinlass (14) stromaufwärts des Kompressorrades und einen Kompressorauslass (15) stromabwärts des Kompressorrades umfasst, wobei der Einlass Folgendes umfasst: eine äußere Kanalwand (22), die sich vom Kompressorrad in einer Stromaufwärtsrichtung weg erstreckt und einen Gaseinlassabschnitt im oberen Einlassabschnitt bildet, eine innere Kanalwand (21) innerhalb der äußeren Kanalwand mit einem Einlassabschnitt (14), der sich vom Kompressorrad stromaufwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades weg erstreckt, und einem Inducer-Abschnitt (14a) stromabwärts der Vorderkanten (24) des Kompressorrades, und einen ringförmigen Hohlraum (23), der zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand definiert ist, mit einer ringförmigen Öffnung des ringförmigen Hohlraums (23) am stromaufseitigen Ende der inneren Kanalwand zwischen der inneren und der äußeren Kanalwand, und wobei die zum Motor zurückzuführenden Abgase über den Abgasrückführungskanal in den ringförmigen Hohlraum (23) des Kompressors eingeführt werden.
Niederdruck-AGR-System für einen Verbrennungsmotor, das Folgendes umfasst: einen Kompressor zum Komprimieren von zum Motor zuzuführender Luft; eine Turbinenstufe mit einem Turbinengehäuse mit einem Abgaseinlass zum Empfangen von Abgas vom Motor und einem Abgasauslass und einem Turbinenrad, das durch das Abgas vom Motor angetrieben wird; einen Abgasrückführungskanal, durch den zum Motor zurückzuführende Abgase in den Kompressor eingeführt werden; und einen Ladeluftkanal, durch den die im Kompressor komprimierte Luft zum Motor zugeführt wird, wobei der Kompressor Folgendes umfasst: ein Kompressorrad (20), das durch das Turbinenrad angetrieben wird und mehrere Schaufeln umfasst, von denen jede eine Vorderkante (24), eine Hinterkante und eine äußere freie Kante umfasst, wobei das Rad zur Drehung innerhalb eines Kompressorgehäuses angebracht ist und zwischen einer gedrosselten Strömung und einer Druckwellenleitung betriebsfähig ist, wobei das Kompressorgehäuse einen Kompressoreinlass (14) stromaufwärts des Kompressorrades und einen Kompressorauslass (15) stromabwärts des Kompressorrades umfasst, wobei der Einlass eine Kanalwand (22) umfasst, die sich vom Kompressorrad in einer Stromaufwärtsrichtung weg erstreckt und ein axial abgeflachtes, radial expandiertes zylindrisches Volumen, das in den Kompressoreinlass (16) ringförmig offen ist, axial stromaufwärts der Vorderkante des Kompressorrades umfasst, und wobei die zum Motor zurückzuführenden Abgase über den Abgasrückführungskanal in das axial abgeflachte, radial expandierte zylindrische Volumen im Kompressoreinlass (16) eingeführt werden.