EP3056690B1 - Radialverdichter, abgasturbolader und entsprechendes verfahren zum betreiben eines radialverdichters - Google Patents

Radialverdichter, abgasturbolader und entsprechendes verfahren zum betreiben eines radialverdichters Download PDF

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EP3056690B1
EP3056690B1 EP16152252.9A EP16152252A EP3056690B1 EP 3056690 B1 EP3056690 B1 EP 3056690B1 EP 16152252 A EP16152252 A EP 16152252A EP 3056690 B1 EP3056690 B1 EP 3056690B1
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EP
European Patent Office
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compressor
housing
radial
housing insert
piston
Prior art date
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EP16152252.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3056690A1 (de
Inventor
Jochen Doehring
Ralf Mendgen
Gael Le Hen
Anton Paweletz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/62—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/622—Adjusting the clearances between rotary and stationary parts
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a radial compressor for an exhaust gas turbocharger, in particular an internal combustion engine, and to an exhaust gas turbocharger with such a radial compressor.
  • the invention further relates to a method for operating such a radial compressor.
  • Exhaust gas turbochargers are used for example in internal combustion engines to increase the pressure level in the fresh gas during the charge cycle.
  • Such an exhaust gas turbocharger can be equipped with a radial compressor, which has a compressor wheel, by means of which the respective gas can be conveyed and compressed.
  • the compressor can have an axial input side and a radial output side, and be arranged in a compressor chamber.
  • An inlet channel leads to the input side of the compressor wheel and in the case of an internal combustion engine to a low-pressure region of a fresh gas system equipped with the exhaust-gas turbocharger.
  • An exhaust passage leads from the exit side of the compressor wheel away to the high pressure side of the fresh gas system.
  • the compressor wheel is surrounded by the compressor housing within the compressor chamber.
  • the compressor housing has a cover disk on an inner surface which is radial to the compressor wheel and a rear disk on an inner surface which is axial to the compressor wheel.
  • the gap between the compressor wheel and the compressor housing is measured with two gap widths, namely the gap width between the compressor wheel and the cover plate of the compressor housing and between the compressor wheel and the rear window of the compressor housing. Too much formed gap, that is too large a gap width of the column described, leads to an undesirable power attenuation of the compressor, since such a gap leads to a reduction of the capacity.
  • the DE 10 2012 217 381 A1 shows a radial compressor in which the gap width of a gap between the compressor wheel and the cover plate is adjustable.
  • the JP S54 104007 A discloses a diffuser for a centrifugal compressor with a variably adjustable flow width.
  • the JP H02 42197 A discloses a device for adjusting a gap width at a blade end of a centrifugal impeller.
  • the invention provides a radial compressor for an exhaust gas turbocharger according to claim 1, an exhaust gas turbocharger with such a radial compressor according to claim 8 and an operating method according to claim 9 for a corresponding centrifugal compressor.
  • the idea underlying the present invention is to provide an adjustment for the gap between the compressor wheel and the compressor housing.
  • the centrifugal compressor means Adjust the inner case contour to.
  • the means comprise an axially displaceable housing insert, which is arranged in the compressor chamber in the region between the housing and the compressor wheel, a hub, which by means of a in an oblique recess is supported rotatably around the intake passage, and a piston, which is arranged between the turntable and the housing insert.
  • the slope or the slope of the recess relative to the length of the recess, before the maximum adjustable stroke, which is exerted by the hub on the piston before.
  • the means for adjusting the inner housing contour are arranged such that they control a gap width between the compressor wheel and the housing insert by the hub transmits a force to the housing insert via the piston.
  • the inventive adjustment of the gap between the compressor housing and the compressor wheel, the gap between the compressor wheel and the housing insert both manually and automatically adjustable.
  • the hub on which the adjustment of the gap width is made, in particular, is easily accessible and also provides a particularly cost-effective adjustment.
  • the pin allows the attachment of the hub to the housing and the rotatable mounting circumferentially of the housing in a particularly simple, reliable and cost-effective manner.
  • the position of the turntable predetermines a force directed towards the compressor wheel on the piston.
  • the piston transmits the force directed to the compressor wheel on the housing insert, which shifts due to it in the direction of the compressor wheel.
  • the present invention also allows compensation of manufacturing tolerances in the manufacture of centrifugal compressors, due to which the gap between the compressor housing and the compressor can vary.
  • manufacturing tolerances can be corrected. Since the gap width adversely affects the efficiency of the centrifugal compressor, can with the present Invention, the efficiency of a centrifugal compressor, with constant manufacturing costs can be improved.
  • a radial compressor according to the invention additionally comprises a spring, which is arranged between the piston and the housing insert in order to press the piston against the turntable.
  • a spring which is arranged between the piston and the housing insert in order to press the piston against the turntable.
  • the radial compressor additionally has a control device which is set up to detect a displacement of the compressor wheel and to adapt the position of the housing insert to the determined displacement of the compressor wheel. This makes it possible to subsequently adjust the gap width between the compressor wheel and the housing insert during the compressor operation.
  • the width of the column can be optimally adapted to an operating state of the radial compressor, such as the speed of the compressor wheel.
  • the spring provides a maximum restoring force.
  • the recess additionally has latching means in order to releasably fix the pin in the recess.
  • latching means in order to releasably fix the pin in the recess.
  • the locking means are designed as a rotary closure, in particular as a bayonet closure.
  • a bayonet closure By a screw cap a particularly cost-effective and reliable closure option is provided.
  • a bayonet lock is particularly easy to use, as it forms an easily detachable and self-locking mechanical connection.
  • At least two, in particular three, pistons are arranged in the circumferential direction of the inlet channel on the compressor housing. This provides an optimal and even force distribution with minimum use of material.
  • the housing insert is connected by means of at least one vane with a rear disk of the centrifugal compressor.
  • a composite of the housing insert, the guide vane and the rear window is provided, which makes it possible to control, in addition to the gap between the compressor and the housing insert another gap between the back plate and the compressor simultaneously and without further adjustment.
  • the invention also relates to an exhaust gas turbocharger with a centrifugal compressor having one or more of the aforementioned features.
  • the invention further relates to an operating method for a radial compressor explained above.
  • a centrifugal compressor having one or more of the foregoing features is provided.
  • a desired state of a width of a gap between a compressor wheel and a housing insert is determined.
  • a position of a pin, to which a turntable is fastened is controlled on the basis of the determined desired state, so that the turntable transmits a force to the housing insert via a piston.
  • an axial displacement of the compressor wheel additionally becomes possible determined during operation of the centrifugal compressor and the position of the pin controlled due to the determined axial displacement of the compressor wheel.
  • a tolerance to a possible undesired axial displacement of the compressor wheel can be created.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a radial compressor 10 according to the invention, wherein initially for better Clarity, the recess, the hub, the pin and the piston are not shown.
  • the radial compressor 10 comprises a compressor housing 101, which has an axial inlet channel 103 and a radial outlet channel 105.
  • the compressor housing 101 at least partially surrounds a compressor chamber 107.
  • a compressor wheel 111 for conveying and compressing a gas from the axial inlet channel 103 to the radial outlet channel 105 is arranged in the compressor chamber 107. From the inlet channel 103 to the outlet channel 105, a housing insert 113 extends.
  • the radial compressor 10 further comprises a housing insert 113, which is formed in the compressor chamber 107 on the compressor housing 101.
  • the housing insert 113 is in the compressor chamber 107 in both the axial direction A and in the radial direction B movable.
  • a first gap S exists between the compressor wheel 111 and the housing insert 113 and a second gap S 'between the compressor wheel 111 and the rear disk 125.
  • the gap S between the housing insert 113 and the compressor wheel 111 can first be adjusted.
  • a method of the housing insert 113 in the direction B a possible radial displacement of the compressor wheel, which may occur in addition to an axial displacement of the compressor, can be compensated.
  • a vane may rigidly connect the housing insert 113 to the rear disk 125.
  • the vane, the housing insert 113 and the rear disc may be welded together or in one piece be made.
  • a further gap S ' which exists between the compressor wheel 111 and the rear disk 125, are controlled by the position of the housing insert 113.
  • the gap S ' can also be set separately from a further control device.
  • the compressor 111 can be moved in the directions A and / or B.
  • FIG. 1 shows a purely schematic representation of a centrifugal compressor.
  • the contours of the compressor housing 101 in the interior of the compressor 10 are not angular, but rounded in order to better lead a flow through the centrifugal compressor 10 can.
  • FIG. 2 shows a further cross-sectional view of an embodiment of a radial compressor 100 according to the invention.
  • the compressor housing 101 has a recess 109 in an inlet channel-side housing region 300.
  • a hub 115 is formed and rotatably supported.
  • the turntable 115 is connected to the housing 101 by a pin 117 in which the pin 117 is engaged with the turntable 115 and the recess 109 of the housing 101.
  • the means 200 for adjusting the inner housing contour also comprise the axially displaceable housing insert 113, a spring 121 and a piston 119 which control the inner housing contour.
  • a distance d or gap d between the turntable 115 and a compressor chamber side surface 129 of the housing 101 is initially set.
  • the piston 119 is engaged with the housing insert 113.
  • Both the piston 119 and the housing insert 113 are from the compressor chamber side surface 129 of the housing 101 in the space between the Turntable 115 and the housing 101 forth. Due to the distance d from the rotary disk 115 to the compressor chamber-side surface 129 of the housing 101, a force which acts on the piston 119 through the rotary disk 115 is predetermined.
  • the piston 119 engages the housing insert 113, the piston 119 transmits the power from the rotary disk 115 to the housing insert 113.
  • the housing insert 113 shifts toward the compressor wheel 111.
  • a spring 121 is also arranged.
  • the spring 121 counteracts the force through the hub 115.
  • vibrations occurring during compressor operation are damped by the spring 121.
  • the spring 121 brings the piston 119 and consequently also the housing insert 113 in a zero position when the hub 115 is in a position in which it transmits no force to the piston 119.
  • Sealant 127 is provided in the housing insert 113.
  • FIG. 3a shows a detailed perspective view of the intake passage-side housing portion 300, in which the hub 115 is not shown.
  • FIG. 3a shows first schematically in which area the recess 109 with respect to the surface 129 of the housing 101 is inclined or with a slope. In the recess 109 locking means 123 can be seen.
  • FIG. 3b shows a further detail view of the recess 109 in the inlet channel-side housing portion 300th
  • the locking means 123 in the recess 109 are in the FIG. 3b shown enlarged.
  • the pin 117 (in Fig. 3b not shown) are fixed in the recess 109.
  • the recess 109 extends between two ends 301a and 301b, between which the pin 117 is movable.
  • the hub 115 transmits a maximum force to the piston 119 and the housing insert 113, respectively.
  • the hub 115 is in a zero position and transmits no or only a small force on the piston 119.
  • the piston 119 is pressed by the small force through the hub 115 of the spring 121 in its zero position.
  • the centrifugal compressor may be part of an exhaust gas turbocharger.
  • Such an exhaust-gas turbocharger may have, with the compressor wheel of the radial compressor, a turbine wheel connected in a rotationally fixed manner by means of a rotor shaft.

Landscapes

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

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine, sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Radialverdichters.
  • Abgasturbolader kommen beispielsweise in Brennkraftmaschinen zur Anwendung, um das Druckniveau im Frischgas beim Ladungswechselvorgang zu erhöhen. Ein derartiger Abgasturbolader kann mit einem Radialverdichter ausgestattet sein, der ein Verdichterrad aufweist, mittels welchem das jeweilige Gas gefördert und komprimiert werden kann. Hierfür kann das Verdichterrad eine axiale Eingangsseite und eine radiale Ausgangsseite aufweisen, und in einem Verdichterraum angeordnet sein. Ein Einlasskanal führt zur Eingangsseite des Verdichterrads und bei einer Brennkraftmaschine zu einem Niederdruckbereich einer mit dem Abgasturbolader ausgestatteten Frischgasanlage. Ein Auslasskanal führt von der Ausgangsseite des Verdichterrads weg zur Hochdruckseite der Frischgasanlage. Das Verdichterrad ist innerhalb des Verdichterraums von dem Verdichtergehäuse umgeben. Das Verdichtergehäuse weist an einer zum Verdichterrad radialen inneren Oberfläche eine Deckscheibe und an einer zum Verdichterrad axialen inneren Oberfläche eine Rückscheibe auf.
  • Um eine ungestörte und insbesondere reibungsfreie Rotationsbewegung des Verdichterrads in dem Abgasturbolader sicherzustellen, muss zwischen dem Verdichterrad und einem den Verdichterraum ausbildenden Verdichtergehäuse ein Zwischenraum in der Art eines Spaltes bestehen bleiben, so dass Verdichterrad und Verdichtergehäuse beabstandet zueinander angeordnet sind und folglich keine störenden Reibungskräfte zwischen diesen Bauteilen auftreten können. Somit wird der Zwischenraum zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse mit zwei Spaltweiten gemessen, nämlich der Spaltweite zwischen dem Verdichterrad und der Deckscheibe des Verdichtergehäuses sowie zwischen dem Verdichterrad und der Rückscheibe des Verdichtergehäuses. Ein zu stark ausgebildeter Spalt, das heißt eine zu große Spaltweite der beschriebenen Spalte, führt zu einer unerwünschten Leistungsschwächung des Verdichters, da ein solcher Zwischenraum zu einer Reduzierung der Förderleistung führt.
  • Die DE 10 2012 217 381 A1 zeigt einen Radialverdichter, bei welchem die Spaltweite eines Spalts zwischen dem Verdichterrad und der Deckscheibe einstellbar ist.
  • Die JP S54 104007 A offenbart einen Diffusor für einen Zentrifugalkompressor mit einer variabel einstellbaren Strömungsbreite.
  • Die JP H02 42197 A offenbart eine Vorrichtung zur Einstellung einer Spaltbreite an einem Schaufelende eines Zentrifugal-Laufrads.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader nach Anspruch 1, einen Abgasturbolader mit einem solchen Radialverdichter nach Anspruch 8 und ein Betriebsverfahren nach Anspruch 9 für einen entsprechenden Radialverdichter.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Einstellmöglichkeit für den Zwischenraum zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse bereitzustellen. Hierfür weist der Radialverdichter Mittel zum Anpassen der inneren Gehäusekontur auf. Die Mittel umfassen einen axial verschiebbaren Gehäuseeinsatz, welcher in dem Verdichterraum in dem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad angeordnet ist, eine Drehscheibe, welche mittels eines in eine schräg verlaufende Ausnehmung greifenden Zapfens um den Einlasskanal drehbar gelagert ist, sowie einen Kolben, welcher zwischen der Drehscheibe und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist. Die Schräge bzw. die Steigung der Ausnehmung bezogen auf die Länge der Ausnehmung, gibt den maximal einstellbaren Hub vor, welcher von der Drehscheibe auf den Kolben ausgeübt wird, vor.
  • Die Mittel zum Anpassen der inneren Gehäusekontur sind derart eingerichtet, dass diese eine Spaltbreite zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz steuern, indem die Drehscheibe über den Kolben eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt. Durch die erfindungsgemäße Einstellmöglichkeit des Zwischenraums zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad ist der Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz sowohl manuell als auch automatisch einstellbar. Die Drehscheibe, an der die Einstellung der Spaltbreite vorgenommen wird, ist insbesondere leicht zugänglich und stellt des Weiteren auch eine besonders kostengünstige Einstellmöglichkeit bereit. Der Zapfen ermöglicht die Anbringung der Drehscheibe an dem Gehäuse sowie die drehbare Lagerung umfänglich des Gehäuses auf besonders einfache, zuverlässige und kostengünstige Art und Weise.
  • Durch Verdrehen der Drehscheibe wird deren Position in axialer Richtung des Einlasskanals eingestellt, und insbesondere der Abstand der Drehscheibe zum verdichterraumseitigen Gehäuseteil eingestellt. Somit gibt die Position der Drehscheibe eine in Richtung des Verdichterrads gerichtete Kraft auf den Kolben vor. Der Kolben überträgt die zum Verdichterrad gerichtete Kraft auf den Gehäuseeinsatz, welcher sich aufgrund dessen in Richtung des Verdichterrades verschiebt.
  • Durch die Einstellmöglichkeit des Spalts zwischen dem Verdichterrad und dem Verdichtergehäuse ermöglicht die vorliegende Erfindung zudem einen Ausgleich von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Radialverdichtern, aufgrund derer der Zwischenraum zwischen dem Verdichtergehäuse und dem Verdichterrad variieren kann. Durch das nachträgliche Einstellen des Spaltes, welches mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, können Fertigungstoleranzen korrigiert werden. Da sich die Spaltbreite nachteilig auf den Wirkungsgrad des Radialverdichters auswirkt, kann mit der vorliegenden Erfindung auch der Wirkungsgrad eines Radialverdichters, bei gleichbleibenden Herstellungskosten, verbessert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist ein erfindungsgemäßer Radialverdichter zusätzlich eine Feder auf, welche zwischen dem Kolben und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist, um den Kolben gegen die Drehscheibe zu drücken. Somit ist sichergestellt, dass, falls die Drehscheibe sich in einer Nullposition befindet, in welcher diese keine Kraft auf den Kolben ausübt, der Kolben durch die Feder in eine Nullposition gebracht wird. Zudem stellt die Feder auch ein Dämpfungsmittel dar, welches auftretende Schwingungen während des Verdichterbetriebs dämpft. Zudem gibt die Feder auch ein Übertragungsverhältnis zwischen der Kraft durch die Drehscheibe auf den Kolben und der Kraft durch den Kolben auf den Gehäuseeinsatz vor. Somit ist es möglich, durch die Wahl der passenden Feder die auf den Gehäuseeinsatz übertragene Kraft in Abhängigkeit der Position der Drehscheibe zu skalieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist der Radialverdichter zusätzlich eine Regeleinrichtung auf, welche eingerichtet ist, um eine Verschiebung des Verdichterrades zu ermitteln und die Position des Gehäuseeinsatzes an die ermittelte Verschiebung des Verdichterrades anzupassen. Hierdurch ist es möglich, die Spaltbreite zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz auch während des Verdichterbetriebs nachträglich anzupassen. Somit kann die Breite der Spalte optimal an einen Betriebszustand des Radialverdichters, etwa die Drehzahl des Verdichterrades, angepasst werden. Somit gibt die Feder eine maximale Rückstellkraft vor.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Ausnehmung zusätzlich Rastmittel auf, um den Zapfen in der Ausnehmung lösbar zu fixieren. Durch die Ausbildung von Rastmitteln in der Ausnehmung, welche mit dem Zapfen zusammenwirken, ist eine besonders flexible sowie zuverlässige Einstellmöglichkeit der Position der Drehscheibe gegeben.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Rastmittel als Drehverschluss, insbesondere als Bajonettverschluss ausgebildet. Durch einen Drehverschluss ist eine besonders kostengünstige sowie zuverlässige Verschlussmöglichkeit bereitgestellt. Insbesondere ein Bajonettverschluss ist besonders einfach zu bedienen, indem dieser eine leicht lösbare sowie selbstverriegelnde mechanische Verbindung bildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind in Umlaufrichtung umfänglich des Einlasskanals an dem Verdichtergehäuse zumindest zwei, insbesondere drei Kolben eingerichtet. Hierdurch ist eine optimale und gleichmäßige Kraftverteilung bei minimalem Materialeinsatz bereitgestellt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Gehäuseeinsatz mittels zumindest einer Leitschaufel mit einer Rückscheibe des Radialverdichters verbunden. Hierdurch wird ein Verbund aus dem Gehäuseeinsatz, der Leitschaufel und der Rückscheibe geschaffen, welcher es ermöglicht, neben dem Spalt zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz einen weiteren Spalt zwischen der Rückscheibe und dem Verdichterrad gleichzeitig und ohne weiteren Einstellaufwand zu steuern.
  • Die Erfindung betrifft auch einen Abgasturbolader mit einem Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren für einen vorstehend erläuterten Radialverdichter. Gemäß diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein Radialverdichter mit einem oder mehreren der vorangehend genannten Merkmale bereitgestellt. In einem weiteren Schritt wird ein Soll-Zustand einer Breite eines Spalts zwischen einem Verdichterrad und einem Gehäuseeinsatz ermittelt. In einem weiteren Schritt wird eine Position eines Zapfens, an welchem eine Drehscheibe befestigt ist, aufgrund des ermittelten Soll-Zustandes gesteuert, so dass die Drehscheibe über einen Kolben eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt. Durch die vorstehend genannten Schritte zum Betreiben eines Radialverdichters ist ein besonders effizientes Verfahren bereitgestellt. Beispielsweise könnte vorgesehen sein, einzelnen Positionen der Drehscheibe einzelne Betriebszustände des Radialverdichters, etwa der Drehzahl des Verdichterrades, zuzuweisen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Betriebsverfahrens für einen Radialverdichter wird zusätzlich eine Axialverschiebung des Verdichterrades während des Betriebs des Radialverdichters ermittelt sowie die Position des Zapfens aufgrund der ermittelten Axialverschiebung des Verdichterrades gesteuert. Hierdurch kann eine Toleranz gegenüber einer möglichen unerwünschten Axialverschiebung des Verdichterrades geschaffen werden. Ferner ist es somit möglich während des Verdichterbetriebs noch auf eine Axialverschiebung des Verdichterrades zu reagieren. Folglich ist hierdurch ein besonders robustes Betriebsverfahren für einen Radialverdichter bereitgestellt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters;
    Figur 2
    eine weitere schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radialverdichters;
    Figur 3a
    eine perspektivische Detailansicht eines einlasskanalseitigen Gehäusebereichs der Ausführungsform aus Figur 2 des erfindungsgemäßen Radialverdichters; und
    Figur 3b
    eine Detailansicht des Gehäusebereichs aus Figur 3a
    Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 10, wobei zunächst zur besseren Übersichtlichkeit die Ausnehmung, die Drehscheibe, der Zapfen sowie der Kolben nicht dargestellt sind.
  • Anhand der Figur 1 sollen zunächst die Elemente des Verdichterraums 107 sowie die Wirkung der erfindungsgemäßen Mittel 200 zum Anpassen der inneren Gehäusekontur erläutert werden.
  • Der Radialverdichter 10 umfasst ein Verdichtergehäuse 101, welches einen axialen Einlasskanal 103 und einen radialen Auslasskanal 105 aufweist. Das Verdichtergehäuse 101 umgibt zumindest teilweise einen Verdichterraum 107. In dem Verdichterraum 107 ist ein Verdichterrad 111 zum Fördern und Komprimieren eines Gases vom axialen Einlasskanal 103 zum radialen Auslasskanal 105 angeordnet. Von dem Einlasskanal 103 zum Auslasskanal 105 erstreckt sich ein Gehäuseeinsatz 113.
  • Der Radialverdichter 10 umfasst des Weiteren einen Gehäuseeinsatz 113, welcher in dem Verdichterraum 107 am Verdichtergehäuse 101 ausgebildet ist. Der Gehäuseeinsatz 113 ist in dem Verdichterraum 107 sowohl in axiale Richtung A als auch in radiale Richtung
    B verfahrbar.
  • In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung existiert zwischen dem Verdichterrad 111 und dem Gehäuseeinsatz 113 ein erster Spalt S sowie zwischen dem Verdichterrad 111 und der Rückscheibe 125 ein zweiter Spalt S'.
  • Durch ein Verschieben des Gehäuseeinsatzes 113 in die Richtung A kann zunächst der Spalt S zwischen dem Gehäuseeinsatz 113 und dem Verdichterrad 111 eingestellt werden. Durch ein Verfahren des Gehäuseeinsatzes 113 in die Richtung B kann eine mögliche Radialverschiebung des Verdichterrades, welche zusätzlich zu einer Axialverschiebung des Verdichterrades auftreten kann, ausgeglichen werden.
  • Optional kann eine Leitschaufel den Gehäuseeinsatz 113 mit der Rückscheibe 125 steif verbinden. Beispielsweise können die Leitschaufel, der Gehäuseeinsatz 113 und die Rückscheibe miteinander verschweißt sein oder aus einem Guss gefertigt sein. Durch eine derartige steife Verbindung des Gehäuseeinsatzes 113 mit der Rückscheibe 125 kann ein weiterer Spalt S', welcher zwischen dem Verdichterrad 111 und der Rückscheibe 125 besteht, durch die Position des Gehäuseeinsatzes 113 mitgesteuert werden. Der Spalt S' kann jedoch auch separat von einer weiteren Steuereinrichtung eingestellt werden.
  • Zudem kann auch das Verdichterrad 111 in die Richtungen A und/oder B verfahren werden.
  • Figur 1 zeigt eine rein schematische Darstellung eines Radialverdichters. Insbesondere werden die Konturen des Verdichtergehäuses 101 im Inneren des Verdichters 10 nicht eckig verlaufen, sondern abgerundet, um eine Strömung besser durch den Radialverdichter 10 führen zu können.
  • Figur 2 zeigt eine weitere Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 100. In der Figur 2 sind die Ausnehmung 109 sowie die Mittel 200 zum Anpassen der inneren Gehäusekontur detailliert und schematisch dargestellt. Das Verdichtergehäuse 101 weist in einem einlasskanalseitigen Gehäusebereich 300 eine Ausnehmung 109 auf. Umfänglich des Einlasskanals 103 ist eine Drehscheibe 115 ausgebildet und drehbar gelagert. In dem einlasskanalseitigen Gehäusebereich 300 ist die Drehscheibe 115 durch einen Zapfen 117 mit dem Gehäuse 101 verbunden, indem der Zapfen 117 sich mit der Drehscheibe 115 sowie der Ausnehmung 109 des Gehäuses 101 in Eingriff befindet.
  • Die Mittel 200 zum Anpassen der inneren Gehäusekontur umfassen zudem den axial verschiebbaren Gehäuseeinsatz 113, eine Feder 121 sowie einen Kolben 119, welche die innere Gehäusekontur steuern.
  • Durch ein Verdrehen der Drehscheibe 115 wird zunächst ein Abstand d bzw. Zwischenraum d zwischen der Drehscheibe 115 und einer verdichterraumseitigen Oberfläche 129 des Gehäuses 101 eingestellt. Der Kolben 119 steht mit dem Gehäuseeinsatz 113 in Eingriff. Sowohl der Kolben 119 als auch der Gehäuseeinsatz 113 stehen aus der verdichterraumseitigen Oberfläche 129 des Gehäuses 101 in den Zwischenraum zwischen der Drehscheibe 115 und dem Gehäuse 101 hervor. Durch den Abstand d von der Drehscheibe 115 zur verdichterraumseitigen Oberfläche 129 des Gehäuses 101 wird eine Kraft, welche auf den Kolben 119 durch die Drehscheibe 115 wirkt, vorgegeben. Indem der Kolben 119 mit dem Gehäuseeinsatz 113 in Eingriff steht, überträgt der Kolben 119 die Kraft von der Drehscheibe 115 auf den Gehäuseeinsatz 113. Infolgedessen verschiebt sich der Gehäuseeinsatz 113 in Richtung des Verdichterrads 111.
  • Zwischen dem Kolben 119 und der verdichterraumseitigen Oberfläche 129 des Gehäuses 101 ist zudem eine Feder 121 angeordnet. Die Feder 121 wirkt der Kraft durch die Drehscheibe 115 entgegen. Somit werden während des Verdichterbetriebs auftretende Schwingungen durch die Feder 121 gedämpft. Zudem bringt die Feder 121 den Kolben 119 und folglich auch den Gehäuseeinsatz 113 in eine Nullposition, wenn die Drehscheibe 115 sich in einer Position befindet, in der diese keine Kraft auf den Kolben 119 überträgt.
  • Um den Wirkungsgrad des Verdichters 100 weiter zu verbessern, sind in der Figur 2 Dichtungsmittel 127 in dem Gehäuseeinsatz 113 vorgesehen.
  • Figur 3a zeigt eine detaillierte, perspektivische Ansicht des einlasskanalseitigen Gehäusebereichs 300, in welchem die Drehscheibe 115 nicht dargestellt ist.
  • Figur 3a zeigt zunächst schematisch, in welchem Bereich die Ausnehmung 109 bezüglich der Oberfläche 129 des Gehäuses 101 schräg bzw. mit einer Steigung verläuft. In der Ausnehmung 109 sind Rastmittel 123 zu erkennen.
  • Figur 3b zeigt eine weitere Detailansicht der Ausnehmung 109 in dem einlasskanalseitigen Gehäusebereich 300.
  • Die Rastmittel 123 in der Ausnehmung 109 sind in der Figur 3b vergrößert dargestellt.
  • Durch die Rastmittel 123 kann der Zapfen 117 (in Fig. 3b nicht dargestellt) in der Ausnehmung 109 fixiert werden. Die Ausnehmung 109 erstreckt sich zwischen zwei Enden 301a und 301b, zwischen welchen der Zapfen 117 beweglich ist.
  • Befindet sich der Zapfen 117 an dem Ende 301a, so überträgt die Drehscheibe 115 eine maximale Kraft auf den Kolben 119 bzw. auf den Gehäuseeinsatz 113. Befindet sich der Zapfen 117 an dem Ende 301b, so befindet sich die Drehscheibe 115 in einer Nullposition und überträgt keine bzw. lediglich eine geringe Kraft auf den Kolben 119. Der Kolben 119 wird durch die geringe Kraft durch die Drehscheibe 115 von der Feder 121 in seine Nullposition gedrückt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
  • Der Radialverdichter kann Teil eines Abgasturboladers sein. Ein solcher Abgasturbolader kann mit dem Verdichterrad des Radialverdichters ein mittels einer Läuferwelle drehfest verbundenes Turbinenrad aufweisen.

Claims (10)

  1. Radialverdichter (100) für einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine, aufweisend:
    - ein Gehäuse (101) mit einem axialen Einlasskanal (103) und einem radialen Auslasskanal (105), welches einen Verdichterraum (107) wenigstens teilweise umgibt, wobei in dem Gehäuse einlasskanalseitig eine Ausnehmung (109) eingerichtet ist,
    - ein in dem Verdichterraum angeordnetes Verdichterrad (111) zum Fördern und Komprimieren eines Gases vom Einlasskanal zum Auslasskanal,
    - Mittel (200) zum Anpassen der inneren Gehäusekontur, aufweisend:
    - einen axial verschiebbaren Gehäuseeinsatz (113), welcher in dem Verdichterraum in einem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem Verdichterrad angeordnet ist,
    - eine Drehscheibe (115), welche mittels eines in die Ausnehmung greifenden Zapfens (117) um den Einlasskanal drehbar gelagert und umfänglich des Einlasskanals angeordnet ist, wobei der Zapfen (117) senkrecht zu einer Drehachse des Verdichterrads angeordnet und die Ausnehmung schräg, insbesondere mit einer Steigung verlaufend ausgeführt sind,
    - einen Kolben (119), welcher zwischen der Drehscheibe und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist,
    wobei die Mittel (200) zum Anpassen der inneren Gehäusekontur eingerichtet sind, eine Spaltbreite (S) zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuseeinsatz zu steuern, indem die Drehscheibe über den Kolben eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt.
  2. Radialverdichter nach Anspruch 1, welcher zusätzlich aufweist:
    - eine Feder (121), welche zwischen dem Kolben und dem Gehäuseeinsatz angeordnet ist, um den Kolben gegen die Drehscheibe zu drücken.
  3. Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, welcher zusätzlich aufweist:
    - eine Regeleinrichtung, welche eingerichtet ist, um eine Verschiebung des Verdichterrades zu ermitteln und die Position des Gehäuseeinsatzes an die ermittelte Verschiebung des Verdichterrades anzupassen.
  4. Radialverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung Rastmittel (123) aufweist, um den Zapfen in der Ausnehmung lösbar zu fixieren.
  5. Radialverdichter nach Anspruch 4, wobei die Rastmittel als Drehverschluss, insbesondere als Bajonettverschluss ausgebildet sind.
  6. Radialverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Umlaufrichtung zumindest zwei, insbesondere drei Kolben eingerichtet sind.
  7. Radialverdichter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Gehäuseeinsatz mittels zumindest einer Leitschaufel mit einer Rückscheibe (125) des Radialverdichters verbunden ist.
  8. Abgasturbolader mit einem Radialverdichter (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
  9. Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters (100) nach einem der Ansprüche 1-7, mit den folgenden Schritten:
    - Bereitstellen eines Radialverdichters (100) nach einem der Ansprüche 1-7;
    - Ermitteln eines Sollzustandes einer Breite eines Spalts (S) zwischen einem Verdichterrad (111) und einem Gehäuseeinsatz (113);
    - Steuern einer Position eines Zapfens (117), an welchem eine Drehscheibe (115) befestigt ist, aufgrund des ermittelten Sollzustandes, so dass die Drehscheibe über einen Kolben (119) eine Kraft auf den Gehäuseeinsatz überträgt.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Radialverdichters nach Anspruch 9, welches zusätzlich die folgenden Schritte umfasst:
    - Ermitteln einer Axialverschiebung des Verdichterrades während eines Betriebs des Radialverdichters;
    - Steuern der Position des Zapfens aufgrund der ermittelten Axialverschiebung.
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