EP1643133B1 - Turbolader - Google Patents

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EP1643133B1
EP1643133B1 EP05020638A EP05020638A EP1643133B1 EP 1643133 B1 EP1643133 B1 EP 1643133B1 EP 05020638 A EP05020638 A EP 05020638A EP 05020638 A EP05020638 A EP 05020638A EP 1643133 B1 EP1643133 B1 EP 1643133B1
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compressor
variable element
annular gap
turbocharger
turbocharger according
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Rudolf Wimmer
Christian Schröcker
Leopold Eisterlehner
Peter Dr. Nefischer
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/46—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/462—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/464—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable especially adapted for elastic fluid pumps adjusting flow cross-section, otherwise than by using adjustable stator blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/52—Outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/06—Purpose of the control system to match engine to driven device

Definitions

  • the invention relates to a turbocharger with the features of the preamble of claim 1.
  • a compressor of a turbocharger for an internal combustion engine is described.
  • the compressor is located in a compressor housing and is driven by a turbine.
  • the compressor promotes the intake air for the internal combustion engine through an annular gap radially outward and on to the combustion chambers of the internal combustion engine.
  • the compressor housing has a radially encircling actuator with an axially displaceable position variable element.
  • the technical environment is also on the US 2004/0109757 A1 in which a centrifugal compressor is described with a variable diffuser geometry.
  • the centrifugal compressor has a compressor wheel, is conveyed with the sucked air radially outward into the diffuser. So that the centrifugal compressor always has a good efficiency at different air flow rates, an axially displaceable ring is provided in the diffuser, with which the flow cross section of the diffuser can be changed depending on operating point.
  • the compressor also has a variable diffuser geometry which extends radially around the compressor wheel, with which the sucked air is conveyed radially outward into the diffuser. So that the compressor always has a good efficiency at different air flow rates, an axially displaceable, flow-optimized ring is provided in the diffuser, with which the flow cross-section of the diffuser can be changed so that the internal combustion engine has the optimum performance at each operating point.
  • a disadvantage of the described embodiment is a risk of contamination between the position-variable element and the compressor housing, which can lead to the blocking of the sliding movement.
  • Object of the present invention is to show a generic compressor whose position variable element is insensitive to contamination.
  • the overall efficiency of the turbocharger is increased by the inventive design of the compressor outlet region (annular gap), which can be optimally adapted to any air mass flow rate, without acting as a resistor in the flow field. This further leads to improved dynamics of the turbocharger.
  • an increase in performance of the internal combustion engine, and the expansion of the usable speed range is possible by a larger compressor. Also, the required space requirement is minimized due to the inventive design.
  • the position-variable element may be made of a metal or a plastic. While the benefits of the metal are in temperature resistance, the plastic is particularly easily deformed.
  • the preferred mounting options for the position-variable element to the compressor housing according to claim 4 by means of press connection and / or by the use of form-fitting elements.
  • a particularly good efficiency of adjusting the clearance of the annular gap is achieved in an arrangement according to claim 5, characterized in that the position-variable element is arranged on both sides of the annular gap.
  • FIG. 1 shows a section through a compressor housing 2 of a turbocharger designed according to the invention 1. Since a compressor is largely radially symmetrical, only one half, starting from a longitudinal axis 5 of the turbocharger 1 is shown. Radially about the longitudinal axis 5, a compressor 6 is arranged. The compressor 6 is in turn largely radially enveloped by the compressor housing 2. The drive of the compressor 6, in the present case an exhaust gas turbine, is in FIG. 1 not shown.
  • the compressor 6 sucks intake air according to a double arrow direction shown, compresses them and conveys them radially outwardly through an annular gap 3 further into an annular space 7, characterized by a single arrow extending radially around the compressor 6 and also is sheathed by the compressor housing 2.
  • the condensed Intake air from the annular space 7 is conveyed in the direction of combustion chambers of an internal combustion engine, not shown.
  • a suction-side side wall of the annular gap 3 has a position-variable element 4.
  • the position-variable element 4 consists of a high-strength fluorosilicone, and extends radially circumferentially along the side wall of the annular gap 3.
  • the variable-position element 4 is arranged by means of a press connection (radially inside) and form-locking elements (radially outside) to the compressor housing 2.
  • an adjusting element 8 is arranged, with an axially displaceable plunger 8 '. With the adjusting element 8 and the plunger 8 ', the position-variable element 4 is slidable into the annular gap 3, wherein the flow cross-section is reduced. Due to the elastic properties of the position-variable element 4, the return is passive until the maximum flow cross-section is reached again.
  • the compressor map is expanded to high mass flow rates while ensuring good efficiency at low mass flows.
  • the overall efficiency of the turbocharger 1 is increased by the inventive design of the compressor output range, which can be optimally adapted to any mass flow rate, without acting as a resistor in the flow field. This results in an improved dynamics of the turbocharger 1 with simultaneous increase in performance and expansion of the usable speed range, since larger compressors can be used, while requiring little space.
  • the position-variable element 4 can also be made of metal instead of plastic. Suitable for this example, spring plates, the attachment to the compressor housing is adjusted accordingly. In a further preferred embodiment is located axially on both sides of the annular gap 3 each a variable position element 4. With this embodiment, particularly good efficiencies are achieved because the annular gap 3 can be designed as a Lavall nozzle.
  • the actuator 8 may be operated electrically and / or mechanically and / or hydraulically, wherein in hydraulic operation of the plunger 8 'is replaced by hydraulic channels.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Turbolader mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Sie geht von der US-Patentschrift 4,403,914 aus. In dieser ist ein Verdichter eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Der Verdichter befindet sich in einem Verdichtergehäuse und wird von einer Turbine angetrieben. Hierbei fördert der Verdichter die Ansaugluft für die Brennkraftmaschine durch einen Ringspalt radial nach außen und weiter zu den Brennräumen der Brennkraftmaschine. Um das Verdichterkennfeld auszuweiten, verfügt das Verdichtergehäuse über ein radial umlaufendes Stellelement mit einem axial verschiebbaren lageveränderbarem Element. Durch die Veränderung der Breite, d. h. der lichten Weite des umlaufenden Ringspaltes wird dessen strömungsbeeinflussende Eigenschaft an die Drehzahl des Verdichters angepasst.
  • Zum technischen Umfeld wird ferner auf die US 2004/0109757 A1 hingewiesen, in der ein Zentrifugalverdichter mit einer variablen Diffusorgeometrie beschrieben ist. Der Zentrifugalverdichter weist ein Verdichterrad auf, mit dem angesaugte Luft radial nach außen in den Diffusor gefördert wird. Damit der Zentrifugalverdichter bei unterschiedlichen Luftförderraten stets einen guten Wirkungsgrad aufweist, ist im Diffusor ein axial verschiebbarer Ring vorgesehen, mit dem der Strömungsquerschnitt des Diffusors betriebspunktabhängig verändert werden kann.
  • Weiter wird auf die US 4,403,914 hingewiesen, in der ein Verdichter für die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine beschrieben ist. Der Verdichter weist ebenfalls eine variable Diffusorgeometrie auf, die sich radial um das Verdichterrad, mit dem die angesaugte Luft radial nach außen in den Diffusor gefördert wird, erstreckt. Damit der Verdichter bei unterschiedlichen Luftförderraten ebenfalls stets einen guten Wirkungsgrad aufweist, ist im Diffusor ein axial verschiebbarer, strömungsoptimierter Ring vorgesehen, mit dem der Strömungsquerschnitt des Diffusors verändert werden kann, damit die Brennkraftmaschine in jedem Betriebspunkt die optimale Leistung aufweist.
  • Nachteilig bei der beschriebenen Ausgestaltung ist eine Verschmutzungsgefahr zwischen dem lageveränderbaren Element und dem Verdichtergehäuse, was zum Blockieren der Verschiebebewegung führen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Verdichter aufzuzeigen, dessen lageveränderbares Element verschmutzungsunempfindlich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
    Durch die Verwendung eines elastischen Materials für das lageveränderbare Element werden jegliche Ringspalte oder Bewegungsfugen, die im Stand der Technik für die Verschiebung des Elementes notwendig sind, vermieden. In vorteilhafter Weise ist der Stellantrieb bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung auf der dem Ringspalt abgewandten Seite des lageveränderbaren Elementes angeordnet, so dass auch hier keine Verschmutzung durch Ansaugluft eintreten kann. Weiter ergibt sich der Vorteil, dass der Ringspalt zu einer stetig veränderbaren Lavalldüse ausgestaltet werden kann. Dies gewährleistet eine Ausweitung des Verdichterkennfeldes zu hohen Massendurchsätzen bei gleichzeitiger Gewährleistung eines guten Wirkungsgrades bei niedrigen Massenströmen, da die Strömungsverluste minimiert sind. Gleichzeitig wird der Gesamtwirkungsgrad des Turboladers durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdichterausgangsbereiches (Ringspalt) erhöht, der jedem Luftmassendurchsatz optimal angepasst werden kann, ohne dabei als Widerstand im Strömungsfeld zu wirken. Dies führt weiter zu einer verbesserten Dynamik des Turboladers. Weiter ist eine Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine, sowie die Ausweitung des nutzbaren Drehzahlbandes durch einen größeren Verdichter möglich. Auch wird aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der benötigte Bauraumbedarf minimiert.
  • Gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 kann das lageveränderbare Element aus einem Metall oder einem Kunststoff sein. Während die Vorzüge des Metalls in der Temperaturbeständigkeit liegen, ist der Kunststoff besonders leicht deformierbar.
  • Um eine Verschmutzungsanfälligkeit noch weiter zu reduzieren, sind die bevorzugten Montagemöglichkeiten für das lageveränderbare Element an das Verdichtergehäuse gemäß Patentanspruch 4 mittels Pressverbindung und/oder mittels der Verwendung von Formschlusselementen.
  • Eine besonders gute Effizienz der Einstellung der lichten Weite des Ringspaltes wird bei einer Anordnung gemäß Patentanspruch 5 dadurch erreicht, dass das lageveränderbare Element beidseitig des Ringspaltes angeordnet ist.
  • Zur axialen Verstellung des lageveränderbaren Elementes bieten sich insbesondere elektrisch und/oder mechanisch und/oder hydraulisch betreibbare Stellelemente gemäß Patentanspruch 6 an.
  • Im Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in einer einzigen Figur näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Schnitt durch ein Verdichtergehäuse 2 eines erfindungsgemäß ausgestalteten Turboladers 1. Da ein Verdichter weitgehend radialsymmetrisch ist, ist nur eine Hälfte, ausgehend von einer Längsachse 5 des Turboladers 1 dargestellt. Radial um die Längsachse 5 ist ein Verdichter 6 angeordnet. Der Verdichter 6 ist wiederum von dem Verdichtergehäuse 2 weitgehend radial umhüllt. Der Antrieb des Verdichters 6, im vorliegenden Fall eine Abgasturbine, ist in Figur 1 nicht dargestellt. Beim Betrieb des Turboladers 1 saugt der Verdichter 6 Ansaugluft entsprechend einer dargestellten Doppelpfeilrichtung an, verdichtet diese und befördert sie radial nach außen durch einen Ringspalt 3 weiter in einen Ringraum 7, gekennzeichnet durch einen Einfachpfeil, der sich radial um den Verdichter 6 erstreckt und auch noch von dem Verdichtergehäuse 2 ummantelt ist. Weiter wird die verdichtete Ansaugluft aus dem Ringraum 7 in Richtung von Brennräumen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine gefördert.
  • Erfindungsgemäß weist eine ansaugseitige Seitenwand des Ringspaltes 3 ein lageveränderbares Element 4 auf. Das lageveränderbare Element 4 besteht aus einem hochfesten Fluorsilikon, und erstrecket sich radial umlaufend entlang der Seitenwand des Ringspaltes 3. Das lageveränderbare Element 4 ist mittels einer Pressverbindung (radial innen) und Formschlusselementen (radial außen) an das Verdichtergehäuse 2 angeordnet. Außerhalb des Verdichtergehäuses 2 befindet ist ein Stellelement 8 angeordnet, mit einem axial verschiebbaren Stößel 8'. Mit dem Stellelement 8 und dem Stößel 8' ist das lageveränderbare Element 4 in den Ringspalt 3 schiebbar, wobei dessen Strömungsquerschnitt verringert wird. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des lageveränderbaren Elementes 4 erfolgt die Rückstellung passiv, bis der maximale Strömungsquerschnitt wieder erreicht ist.
  • Durch diese Strömungsquerschnittsveränderung im Ringspalt 3 wird das Verdichterkennfeld zu hohen Massendurchsätzen bei gleichzeitiger Gewährleistung eines guten Wirkungsgrades bei niedrigen Massenströmen ausgeweitet. Weiter wird der gesamte Wirkungsgrad des Turboladers 1 durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verdichterausgangsbereiches, der jedem Massendurchsatz optimal angepasst werden kann, ohne dabei als Widerstand im Strömungsfeld zu wirken, erhöht. Hieraus resultiert eine verbesserte Dynamik des Turboladers 1 bei gleichzeitiger Leistungssteigerung und Ausweitung des nutzbaren Drehzahlbandes, da größere Verdichter eingesetzt werden können, bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das lageveränderbare Element 4 anstelle aus Kunststoff auch aus Metall sein. Geeignet sind hierfür beispielsweise Federbleche, wobei die Befestigung am Verdichtergehäuse entsprechend angepasst wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich axial beidseitig des Ringspaltes 3 jeweils ein lageveränderbares Element 4. Mit dieser Ausführungsform werden besonders gute Wirkungsgrade erzielt, da der Ringspalt 3 als Lavalldüse ausgeführt werden kann. Das Stellelement 8 kann elektrisch und/oder mechanisch und/oder hydraulisch betrieben sein, wobei bei hydraulischem Betrieb der Stößel 8' durch Hydrokanäle ersetzt wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Turbolader
    2.
    Verdichtergehäuse
    3.
    Ringspalt
    4.
    Lageveränderbares Element
    5.
    Längsachse
    6.
    Verdichter
    7.
    Ringraum
    8.
    Stellelement
    8'.
    Stößel

Claims (6)

  1. Turbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einem Verdichtergehäuse (2) angeordneten und von einem Antrieb drehbaren Verdichter zum Verdichten einer Ansaugluft für die Brennkraftmaschine, wobei die verdichtete Ansaugluft von dem Verdichter radial nach außen durch einen Ringspalt (3) in dem Verdichtergehäuse (2) gefördert wird und wobei eine offene Weite (A) des Ringspaltes von einem lageveränderbaren Element (4) veränderbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das lageveränderbare Element (4) aus einem elastischen Material ist.
  2. Turbolader nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material ein Metall ist.
  3. Turbolader nach Patentanspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material ein Kunststoff ist.
  4. Turbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das lageveränderbare Element mittels Pressverbindung und/oder Formschlusselementen im Verdichtergehäuse (2) fixiert ist.
  5. Turbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das lageveränderbare Element (4) beidseitig des Ringspaltes (3) angeordnet ist.
  6. Turbolader nach einem der Patentansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Lageveränderung des lageveränderbaren Elementes (4) mit einem elektrisch und/oder mechanisch und/oder hydraulisch betriebenen Stellelement erfolgt.
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