DE60310663T2

DE60310663T2 - Verdichter

Info

Publication number: DE60310663T2
Application number: DE60310663T
Authority: DE
Inventors: Pierre Holset Engineering Co. Ltd. French
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: CN1508435A; DE60310663D1; EP1411223B1; JP2004132380A; US7014421B2; GB0223756D0; KR20040034452A; JP4502619B2; US20040115042A1; CN100398826C; EP1411223A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter und insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Turboladerverdichter.
Turbolader sind gut bekannte Vorrichtungen für das Zuführen von Luft zum Einlass eines Verbrennungsmotors bei Drücken über dem atmosphärischen (Ladedrücke), und sie werden in breitem Umfang in Autos, Motorbooten und dergleichen ebenso wie zur industriellen Stromerzeugung eingesetzt. Ein konventioneller Turbolader weist im Allgemeinen ein abgasangetriebenes Turbinenrad auf, das auf einer drehbaren Welle innerhalb eines Turbinengehäuses montiert ist. Die Drehung des Turbinenrades dreht ein Verdichterrad, das am anderen Ende der Welle innerhalb eines Verdichtergehäuses montiert ist. Das Verdichterrad liefert Druckluft zum Einlasskrümmer des Motors, wodurch die Motorleistung erhöht wird.
Turbolader sind nicht nur für die Erhöhung der Ausgangsleistung eines Verbrennungsmotors nützlich, sondern ermöglichen ebenfalls die Verringerung von unerwünschten Emissionen durch Erhöhen des Wirkungsgrades des Motors und insbesondere durch Abstimmung von Luftstrom und Kraftstoffstrom. Aus diesem Grund sind Dieselmotoren, und insbesondere große Dieselmotoren, fast immer turboaufgeladen.
Da die Emissionsvorschriften für Verbrennungsmotoren immer strenger werden, besteht eine entsprechende Forderung, den Wirkungsgrad des Turboladers und die Leistungsbeständigkeit zu verbessern. Es gibt viele Faktoren, die den Betrieb des Turboladers beeinflussen, einschließlich der charakteristischen Merkmale des Turbinen- und Verdichterradgehäuses, wie beispielsweise die Konstruktion und Fertigung des jeweiligen Eintrittes und Austrittes.
Die gegenwärtigen Erfinder ermittelten, dass der Verdichterwirkungsgrad in bedeutendem Maß durch den Aufbau von Teilchen auf dem Diffusorabschnitt des Verdichteraustrittes gefährdet werden kann, was die Strömungscharakteristik des Austrittes nachteilig beeinflusst. Ein spezielles Problem wurde bei Motoren identifiziert, die die Kurbelgehäuseentlüftungs(CCV)gase zum Motor für eine Verbrennung zurückführen.
Kurbelgehäuseentlüftungsgas weist eine Mischung von Luft, Öl, Wasser und Ruß auf. In der Vergangenheit war es akzeptabel, Kurbelgehäuseentlüftungsgas einfach in die Atmosphäre abzulassen. Das ist bei den gegenwärtigen Vorschriften betreffs Motoremissionen nicht länger der Fall. In zunehmendem Maß ist die Maßnahme, die ergriffen wird, um sich mit diesem Problem zu befassen, das Führen des Kurbelgehäuseentlüftungsgases zum Motor für eine Verbrennung. Dieses Verfahren ist besonders bei Motoren mit Turbolader geeignet, da der Niederdruckzustand am Verdichtereintritt für die Einführung des Kurbelgehäuseentlüftungsgases ideal ist. Unvermeidlich jedoch bedeutet das, dass das Kurbelgehäuseentlüftungsgas durch das Verdichtergehäuse hindurchgehen muss.
Die Erfinder ermittelten, dass die Zirkulation der Kurbelgehäuseentlüftungsgase durch den Verdichter zu einem bedeutenden Aufbau von Kohleablagerungen am Diffusorabschnitt des Verdichteraustrittes führen kann. Das heißt, Kohleteilchen, die durch das Verdichtergehäuse hindurchgehen, „brennen" in die Flächen des Austrittes ein und bauen sich mit der Zeit auf. Während die Verringerung des anfänglichen Wirkungsgrades relativ klein sein kann, können sich die Ablagerungen mit der Zeit in einem derartigen Umfang aufbauen, dass der Wirkungsgrad des Verdichters im Wesentlichen verringert wird. Es ist sogar möglich, dass über eine längere Zeit der Diffusorabschnitt des Verdichtereintrittes fast vollständig blockiert werden kann. Außerdem erfordert das Erfüllen der Emissionsvorschriften das Bewirken höherer Ausgangsleistungen bei Motoren einer bestimmten Größe, was mehr Arbeit vom Verdichter bei der unvermeidlichen Erzeugung von höheren Temperaturen im Verdichtergehäuse erfordert, was das Problem verschlimmern wird.
Es ist bekannt, das Kurbelgehäuseentlüftungsgas vor seiner Einführung in den Verdichtereinlass zu filtrieren, aber vorhandene Filtersysteme sind beim Verhindern des Aufbaus von Kohle und anderen Ablagerungen auf den Verdichterauslasswänden nur teilweise erfolgreich.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorangehenden Probleme zu vermeiden oder zu lindern.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verdichter bereitgestellt, der ein Verdichterrad aufweist, das für eine Drehung innerhalb eines Verdichtergehäuses montiert ist, wobei das Verdichtergehäuse einen Durchgang mit ringförmigem Austritt und unveränderlicher geometrischer Anordnung aufweist, der das Verdichterrad umgibt und zwischen entgegengesetzten Ringwandflächen definiert wird, wobei jede Ringwandfläche im Wesentlichen planar über eine radiale Dimension ist, wobei ein Abschnitt von mindestens einer der Wandflächen elastisch flexibel ist, so dass Betriebsdruckveränderungen innerhalb des Austrittsdurchganges bewirken, dass sich der elastische Wandflächenabschnitt durchbiegt, während er im Wesentlichen innerhalb einer entsprechenden radialen Ebene bleibt.
Ein Biegen des elastischen Wandabschnittes wird bewirken, dass jegliche Teilchenablagerungen, wie beispielsweise Kohleablagerungen, die sich im Austrittsdurchgang des Verdichters bilden, aufbrechen und sich ablösen. Die abgelösten Teilchen werden dann zum Motor für eine Verbrennung gelangen und nicht den normalen Betrieb des Motors stören (oder in der Tat irgendetwas anderes in den Leitungsbauteilen, wie beispielsweise einen Turbolader nach dem Kühler).
Bei der vorliegenden Erfindung könnte ein Filter noch stromaufwärts vom Verdichter installiert werden, um das Kurbelgehäuseentlüftungsgas zu filtern, aber das ist nicht absolut notwendig.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Entfernen der Teilchenablagerungen ein passiver Arbeitsgang ist, da sich die elastischen Wandabschnitte mit den Druckveränderungen innerhalb des Verdichteraustrittes natürlich biegen.
Vorzugsweise weisen die Ringwandflächen auf beiden Seiten des Austrittsdurchganges derartige elastische Abschnitte auf, und vorzugsweise sind die elastischen Abschnitte ringförmig und erstrecken sich über einen größeren radialen Umfang der jeweiligen Wandflächen.
Bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind die elastischen Wandflächenabschnitte mit jeweiligen elastischen Elementen versehen, die in Aussparungen eingesetzt werden, die in einer Wand des Gehäuses definiert werden und bündig mit der umgebenden Gehäusewandfläche liegen. Beispielsweise können die elastischen Elemente eine Scheidewand aufweisen, die sich mit Druckveränderungen innerhalb des Verdichteraustrittes biegt.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Spezielle Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden jetzt nur als Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
1 eine Außenansicht, die die Hauptbauteile eines konventionellen Turboladers veranschaulicht;
2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Turboladers aus 1, die Einzelheiten des konventionellen Verdichters zeigt;
3 eine Abwandlung eines Verdichters aus 2 in Übereinstimmmung mit einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
4 eine Hinteransicht eines Schnittes eines elastischen Wandelementes des Verdichters aus 3;
5 eine Vorderansicht eines Abschnittes eines alternativen elastischen Ringwandelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
6 eine radiale Schnittdarstellung des Wandelementes aus 5 längs der Linie x-x in 5; und
7 eine radiale Schnittdarstellung eines weiteren alternativen elastischen Ringwandelementes in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 einen konventionellen Zentrifugalturbolader, der aufweist: eine Turbine, die im Allgemeinen mit der Bezugszahl 1 gezeigt wird; einen Verdichter, der im Allgemeinen mit der Bezugszahl 2 gezeigt wird; und ein Zentrallagergehäuse, das mit der Bezugszahl 3 gezeigt wird. Da die vorliegende Erfindung die Konstruktion des Verdichters betrifft, wird keine detaillierte Beschreibung der Turbinen- oder Lagergehäusebauteile vorgelegt (die vollständig konventionell sein können).
Mit Bezugnahme auf 2 zeigt diese einen Querschnitt durch einen Teil des Verdichters 2 des Turboladers aus 1, aus dem ersehen werden kann, dass der Verdichter ein Gehäuse, das teilweise durch einen Diffusorabschnitt 4 (der ein Teil des Lagergehäusegussteils 3 ist) definiert wird, und eine Verdichterabdeckung 5 aufweist, die einen Eintritt 6 und eine Austrittsspirale 7 definiert. Ein Verdichterrad 8 ist für eine Drehung um eine Welle 9 montiert, die sich durch das Lagergehäuse 3 zur Turbine 1 erstreckt. Die Verdichterendlager- und Öldichtungsanordnungen werden im Allgemeinen durch die Bezugszahl 9a gezeigt. Das Verdichterrad 8 weist eine Anordnung von Schaufeln 8a auf, die durch eine hintere Scheibe 10 getragen werden, die in den Diffusorabschnitt 4 im Bereich 4a eingelassen ist.
Der veranschaulichte Verdichter ist ein Map Width Enhanced Typ, bei dem der Eintritt 6 einen rohrförmigen Eintrittsabschnitt 11 aufweist, um den sich ein rohrförmiger Einlassabschnitt 12 erstreckt, der eine ringförmige Kammer 13 dazwischen definiert. Ein Ringschlitz 14 wird durch den ringförmigen Eintrittsabschnitt 11 definiert, so dass die Kammer 13 mit einem Einlaufteilabschnitt des Verdichtergehäuses in Verbindung steht, der durch die Verdichterschaufeln 9 überdeckt wird. Der Austritt zur Verdichterspirale 7 erfolgt über einen Diffusordurchgang 15, der zwischen gegenüberliegenden ringförmigen Abschnitten der Verdichterabdeckung 14 und des Diffusorabschnittes 4 des Lagergehäuses 3 definiert wird. Der Diffusordurchgang 15 ist daher ein ringförmiger Durchgang, der die Spitzen der Verdichterschaufeln 9 umgibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion des Verdichteraustrittes und insbesondere des Diffusorabschnittes oder -durchganges 15 (eher als der Spirale 7), und es wird daher keine weitere Beschreibung des Verdichtereintrittes vorgelegt. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass, während die veranschaulichte Ausführung der Erfindung ein Map Width Enhanced-Verdichter ist, dieses charakteristische Merkmal für die Funktion der Erfindung nicht bedeutend ist, die bei Verdichtern zur Anwendung gebracht werden kann, die andere konventionelle Eintrittsformen aufweisen.
Mit Bezugnahme auf 3 veranschaulicht diese eine Abwandlung des Verdichters aus 2 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Verdichteraustrittsabschnittes, die den Aufbau des Diffusordurchganges 15 in größerem Detail zeigt. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weisen die Wände des Diffusordurchganges 15 (d.h., die gegenüberliegenden Flächen des Diffusorabschnittes 4 und der Verdichterabdeckung 5) elastische Abschnitte auf, die durch ringförmige Scheidewandelemente 16 und 17 bereitgestellt werden, die in die jeweiligen ringförmigen Aussparungen 18 und 19 eingesetzt werden, die in der Verdichterabdeckung 5 und dem Diffusorabschnitt 4 gebildet werden.
4 zeigt eine hintere Ansicht eines Schnittes eines der Scheidewandelemente 16, 17, das aus Gummi oder einem gleichen elastisch flexiblen Material geformt wird, und weist eine Scheidewand 20 auf, die verdickte, verstärkende Umfangs- und radiale Rippenabschnitte 21 und 22 aufweist. Die radial inneren und äußeren Umfangsränder der Scheidewand 20 sind ebenfalls verdickt und um verstärkende Stahlringe 23 und 24 geformt (es wird erkannt werden, dass die Ringe 23 und 24 aus anderen vorzugsweise metallischen Materialien hergestellt werden können).
Das Scheidewandelement 17 ist eine Presspassung innerhalb der Aussparung 19, so dass die Oberfläche der Scheidewand 20 bündig mit den umgebenden Flächenabschnitten des Diffusorabschnittes 4 liegt. Ein Druckablasskanal 25 wird durch die Wand des Diffusorabschnittes 4 bereitgestellt, der mit dem Luftspalt in Verbindung steht, der innerhalb der Aussparung 19 hinter der Scheidewand 20 definiert wird. Der Druckablasskanal 25 kann zur Atmosphäre hin offen sein, oder er kann mit einem anderen Abschnitt der Verdichterstufe in Verbindung stehen (wie beispielsweise dem Eintritt 6, einer Stelle hinter dem Verdichterrad 8) oder dem Verdichteraustrittsrohr, wo eine zusätzliche Druckbewegung vorhanden sein kann, die ausreichend ist, um das Scheidewandelement 17 zu biegen. Verdichterausgleichskanäle 26, 27 werden durch die verstärkenden Rippen 21, 22 bereitgestellt, damit sich der Druck um die gesamte ringförmige Aussparung 19 ausgleichen kann.
Die Konstruktion des Scheidewandelementes 16 ist im Wesentlichen mit der des Scheidewandelementes 17 identisch, außer dass das Scheidewandelement 16 eine verringerte radiale Dimension aufweist. Ein Druckablasskanal 28 ist durch die Verdichterabdeckung 5 vorhanden, der mit dem Luftspalt in Verbindung steht, der hinter dem Scheidewandelement 16 definiert wird.
Beim Betrieb werden Veränderungen beim Druck der Ladeluft, die dem Motor über dem Motorzyklus zugeführt wird, bewirken, dass sich die elastischen Scheidewände 16, 17 durchbiegen. Das wird die Wirkung des Ablösens jeglicher Kohle- oder anderen Teilchenablagerungen haben, die sich auf den Scheidewandflächen bilden können. Jegliche derartige Ablagerungen, die von der Oberfläche abgelöst werden, werden einfach zum Motor geführt und werden ausreichend gering sein, so dass sie keinen nachteiligen Einfluss auf die Funktion des Motors haben (oder irgendwelche anderen damit verbundenen Bauteile, wie beispielsweise einen Turbolader nach dem Kühler).
Die Bereitstellung der Ablasskanäle 25, 28 und der Druckausgleichskanäle 26, 27 sichern, dass Lufttaschen hinter den Scheidewänden nicht die Fähigkeit der Scheidewände behindern, sich elastisch durchzubiegen, wenn es erforderlich ist.
Es wird erkannt werden, dass die Verdichteraustrittsdurchgangswände mit der erforderlichen Flexibilität/Elastizität in vielerlei Weise versehen werden können. Beispielsweise wird eine alternative Form des Scheidewandelementes in 5 und 6 veranschaulicht. Das veranschaulichte Scheidewandelement weist einen Ring 30 auf, der mit erhabenen Abschnitten 31 versehen ist, die beispielsweise aus Gummi oder einem ähnlichen Material geformt sein können. Die Außenfläche des Elementes, die in situ die Fläche des Durchganges definieren wird, wird durch eine dünne Membrane 32 bereitgestellt, die aus einem geeigneten Elastomer gefertigt wird. Der Spalt unterhalb der Membrane und zwischen den erhabenen Abschnitten wird mit einem zusammendrückbaren Schwammelastomer 33 gefüllt, das die erforderliche Durchbiegung der Flächenmembrane 32 aufnimmt.
Eine weitere alternative Form des Scheidewandelementes wird in 7 veranschaulicht. Dieses weist eine dünne flexible Scheidewand 33 auf, die auf einem Trägermaterial aus Schaumstoff oder einem ähnlichen Material angebracht wird, wodurch gestattet wird, dass die Scheidewand im Ergebnis der Druckveränderungen über die Scheidewand zwischen dem Diffusorabschnitt des Verdichters und einem oder mehreren Entlüftungslöchern 35 (die wiederum mit der Atmosphäre oder mit einem anderen Teil der Verdichterstufe in Verbindung stehen können, wie es vorangehend erwähnt wird) sich wellenförmig bewegt. Die Scheidewand 33 kann aus einem geeigneten dünnen Elastomer gebildet werden, und das Trägermaterial 34 kann aus einem geeigneten zusammendrückbaren Schwammelastomer gebildet werden.
Mögliche Abwandlungen der vorangehend beschriebenen Scheidewandkonstruktionen und weitere mögliche alternative Konstruktionen für die Bereitstellung des Verdichteraustrittsdurchganges mit elastischen Wandabschnitten, die sich während des normalen Betriebes des Verdichters durchbiegen, um jegliche abgelagerte Materialien abzulösen, werden dem Fachmann ersichtlich sein.

Claims

Verdichter, der ein Verdichterrad aufweist, das für eine Drehung innerhalb eines Verdichtergehäuses montiert ist, wobei das Verdichtergehäuse (4, 5) einen Diffusor (15) mit ringförmigem Austritt und unveränderlicher geometrischer Anordnung aufweist, der das Verdichterrad umgibt und zwischen entgegengesetzten Ringwandflächen definiert wird, wobei jede Ringwandfläche im Wesentlichen planar über eine radiale Dimension ist, wobei ein Abschnitt von mindestens einer der Wandflächen elastisch flexibel (16, 17) ist, so dass Betriebsdruckveränderungen innerhalb des Diffusors bewirken, dass sich der elastische Wandflächenabschnitt durchbiegt, während er im Wesentlichen innerhalb einer entsprechenden radialen Ebene bleibt.
Verdichter nach Anspruch 1, bei dem beide Ringwandflächen elastische Abschnitte aufweisen.
Verdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der elastische Abschnitt der oder jeder Wandfläche ringförmig ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der flexible Flächenabschnitt der oder jeder Ringwandfläche über einen Hauptabschnitt der radialen Dimension der entsprechenden Wandfläche erstreckt.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elastische Abschnitt der oder jeder Wandfläche ein entsprechendes elastisches Element aufweist, das in eine Aussparung (18, 19) eingesetzt wird, die in einer Wand des Gehäuses definiert wird.
Verdichter nach Anspruch 5, bei dem das oder jedes elastische Element eine Fläche vorlegt, die im Wesentlichen auf gleichem Niveau mit der umgebenden Fläche der entsprechenden Gehäusewand ist.
Verdichter nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem das oder jedes elastische Element ein elastisches Diaphragma aufweist.
Verdichter nach Anspruch 7, bei dem ein Luftspalt innerhalb der Aussparung hinter dem Diaphragma definiert wird und ein oder mehrere Druckablasskanäle in Verbindung mit dem Luftspalt bereitgestellt werden, um ein Durchbiegen in dem Diaphragma ohne bedeutende Druckveränderung innerhalb des Luftspaltes aufzunehmen.
Verdichter nach Anspruch 8, bei dem ein Diaphragma auf verstärkenden radialen Rippen und/oder Umfangsrippen getragen wird.
Verdichter nach Anspruch 9, bei dem das Diaphragma und die verstärkenden Rippen einstückig geformt werden.
Verdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem das oder jedes elastische Element ringförmig ist.
Verdichter nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei dem das Diaphragma ringförmig ist und Druckausgleichskanäle durch die oder jede verstärkende Rippe bereitgestellt werden, im den Druck im Luftspalt hinter dem Diaphragma um den gesamten ringförmigen Umfang der Diaphragma auszugleichen.
Verdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das elastische Element ein Diaphragma aufweist, die auf kompressiblem Schaumstoff getragen wird, um die Durchbiegung aufzunehmen.
Verdichter nach Anspruch 13, bei dem das elastische Element ein ringförmiges Tragelement aufweist, wobei der Schaumstoff zwischen dem Tragelement und dem Diaphragma eingeklemmt ist.
Verdichter nach Anspruch 14, bei dem das Tragelement erhabene Abschnitte umfasst, die sich durch die Schaumstoffschicht erstrecken und das Diaphragma direkt tragen.