WO2016131534A1 - Verdichter, insbesondere für einen abgasturbolader einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verdichter, insbesondere für einen abgasturbolader einer verbrennungskraftmaschine Download PDF

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WO2016131534A1
WO2016131534A1 PCT/EP2016/000255 EP2016000255W WO2016131534A1 WO 2016131534 A1 WO2016131534 A1 WO 2016131534A1 EP 2016000255 W EP2016000255 W EP 2016000255W WO 2016131534 A1 WO2016131534 A1 WO 2016131534A1
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WO
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compressor
groove
compressor wheel
wheel
axis
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PCT/EP2016/000255
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Elias Chebli
Peter Fledersbacher
Siegfried Sumser
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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    • 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
    • F04D29/4206—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/66—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing
    • F04D29/68—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers
    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface
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    • 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
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/294—Three-dimensional machined; miscellaneous grooved

Definitions

  • Compressor in particular for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine
  • the invention relates to a compressor, in particular for an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine, according to the preamble of patent claim 1.
  • Compressor housing and a compressor which is rotatably received in the compressor housing about an axis of rotation relative to the compressor housing.
  • the compressor wheel is used for compressing air, which, for example, the
  • Internal combustion engine in particular at least one combustion chamber such as
  • a cylinder of the internal combustion engine can be supplied.
  • the compressor has a housing-fixed contour region, which surrounds at least a portion of the compressor wheel in the circumferential direction of the compressor wheel over its circumference.
  • the term "fixed to the housing" is to be understood that the contour region is immovable relative to the compressor housing, so that the
  • Compressor is rotatable about the axis of rotation relative to the contour region.
  • the contour region is formed by the compressor housing, in particular a housing element of the compressor housing.
  • the compressor wheel has an outer contour, wherein, based on the axial direction of the compressor wheel, at least one length region of the compressor wheel or the outer contour of the compressor wheel from the contour region in FIG
  • Circumferential direction of the compressor wheel is surrounded over the circumference. This means that at least the length region of the outer contour or of the compressor wheel is covered in the radial direction outwards by the contour region. In other words, the contour region is arranged above the compressor wheel.
  • the contour area is
  • CONFIRMATION COPY arranged particularly close to the compressor wheel or on its outer contour.
  • Supplying the internal combustion engine with compressed air by the compressor is also referred to as charging the internal combustion engine, so that the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine or a supercharged engine.
  • the running gear comprises the compressor wheel, a shaft rotatably connected to the compressor and a rotatably connected to the shaft turbine of a turbine, the exhaust of the
  • Internal combustion engine is drivable.
  • map-stabilizing measures is for some time on the surge line in terms of a shift to small
  • Acceleration torque or the maximum possible engine torque of the respective internal combustion engines can be significantly increased.
  • Such a map-stabilizing measure is, for example, designed as a passage opening or through-passage
  • the contour region has at least one groove, which at one, the compressor wheel facing end open and at her closed at the other end.
  • the groove extends from its one open end to its other closed end.
  • the groove is limited in depth and thus not formed as a passage or passage opening, but in the manner of a blind hole, wherein the groove does not necessarily have to be formed as a bore.
  • a gas such as air to be compressed by means of the compressor wheel, although flow into the groove via one open end of the groove, but could not escape from the groove at the other closed end, since no opening is provided at the other closed end.
  • the groove has a straight course from one open end to the other closed end.
  • the contour region By providing the contour region with the at least one groove, it is possible to shift the surge limit of the compressor map to lower throughputs compared to conventional compressors, since the groove, if it extends, for example in the circumferential direction of the compressor wheel over its circumference in the contour region, one Return flow preferably in a Radgepatuse-gap boundary layer between the contour region and the compressor wheel or an outer contour of the
  • the groove extends in the circumferential direction of the compressor wheel over its circumference completely circumferentially in the contour region and is thus formed at least substantially annular or in the manner of a closed ring.
  • the groove has a flow boundary-influencing effect in such a way that a certain blocking effect of a return flow or the return flow intensity is reduced and thus the map area, in which the still good-natured, rotating tearing of the flow takes place towards smaller stable to can expand operating flow ranges of the compressor.
  • the pumping limit which represents the instability limit, sets in at lower throughputs, as a result of which higher boost pressures on the right of the surge limit at lower throughputs are possible, which increase motor torques at lower rates
  • the design of the groove can be rotationally symmetrical to the axis of rotation of the compressor wheel.
  • the groove relative to the axis of rotation and / or relative to a at least in
  • Process or machining or even by direct casting can be generated.
  • the contour region is formed, for example, by the compressor housing, in particular a housing element of the compressor housing, wherein the compressor housing or the housing element is designed as a cast part, that is, can be produced by casting. It is possible, the groove after pouring the
  • Compressor housing or the housing element to introduce into the contour region, which can be done for example by a machining process.
  • a so-called diffuser Downstream of the compressor wheel, for example, a so-called diffuser is arranged, through which air compressed by means of the compressor wheel can flow. Since the thermodynamic behavior of the spatial geometry of the compressor and is determined particularly by the compressor wheel and the downstream diffuser depending on the respective operating point, is also the optimization of the groove, in particular its geometry, to this spatial geometry of the relevant
  • the Radkanäle are air-flow channels of the compressor wheel, which are limited in its circumferential direction on both sides by respective impeller blades of the compressor wheel. These impeller blades are also called
  • the groove extends parallel to the axial direction of the compressor wheel.
  • Partial area for example, parallel to the axial direction of the compressor wheel.
  • the groove that is, the entire groove or its straight portion
  • the axial direction of the compressor wheel forms an angle which is greater than -20 degrees and less than 50 degrees.
  • the groove or the portion extends obliquely to the axial direction.
  • the groove can run from its one open to its other closed end in the direction of the axis of rotation, so that the previously said angle is negative, wherein the angle is preferably greater than -20 degrees.
  • the groove extends from its one open end to its other closed end away from the axis of rotation, so that the aforementioned angle is positive and preferably less than 50 degrees. If one chooses large positive angles in the design, in many cases undesirably large areas are created with high mixing losses, resulting in a significant reduction in compressor efficiency.
  • a reference radius of the compressor wheel which is related to the axis of rotation of the compressor wheel, is able to be flowed by the compressor wheel via this inlet radius from the air to be compressed by means of the compressor wheel.
  • R 2 is a related to the axis of rotation outlet radius of the compressor wheel, which can be flowed off via the outlet radius of the compressed air.
  • at least one outlet edge of an impeller blade of the compressor wheel is arranged on the outlet radius, wherein this impeller blade is discharged via the outlet edge of the compressed air.
  • R N is a radius related to the axis of rotation on which the groove is arranged. This radius is also referred to as the position radius of the groove.
  • Q A is a factor which is 1, 0.
  • the letter N previously used as an index, indicates that a plurality of grooves may be provided in the contour region, and the foregoing and following statements about the one groove are also applicable to the other grooves.
  • the contour region N has grooves, where N is the number of grooves or designated.
  • the number N may be 1 or greater, wherein the number N is preferably a positive integer.
  • N denotes the number of grooves of the contour region, the grooves being open at their respective one end facing the compressor wheel and closed at their respective other end.
  • the exit radius R 2 of the compressor wheel is used in millimeters and divided by 45 millimeters, resulting in a factor that is multiplied by six.
  • Multiplication 6x- - for example, is commercially rounded to a positive one
  • Another embodiment is characterized in that, when N> 1,
  • S N is a width of a web arranged between two of the grooves
  • the contour region has a plurality of grooves, that is to say at least two grooves, a web of the contour region is arranged between the two grooves, wherein the web has a land width which is denoted by S N.
  • S N land width
  • B N is a width of the groove.
  • the value of N indicates the groove to which the respectively associated quantity preceding the index relates. This means, for example, that when a first groove and a second groove are provided, B 2, the width of the second groove is arranged. This means that N in the index is used as a count variable, where the number of lands is smaller by 1 than the number of grooves.
  • N in the index is used as a count variable, where the number of lands is smaller by 1 than the number of grooves.
  • Another embodiment is characterized in that: 1 ⁇ -> ⁇ 5.
  • T N is a depth of the groove extending from one open to the other closed end of the groove.
  • Boundary layer material depending on the aerodynamic blade load, a local minimum depth of the groove is necessary, there is a reduction with increasing depth, or a saturation of the groove depth on the displacement effect of the surge line.
  • the groove has a circumferentially varying direction of the compressor wheel over its circumference. This means, for example, that the groove varies in its depth and / or width over its running in the circumferential direction of the compressor wheel over the circumference course and is not formed approximately constant.
  • a constant course of the groove is particularly cost-effective to produce, wherein a varying course may be advantageous to realize favorable aerodynamic boundary layer conditions over the circumference.
  • the invention also includes an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, with at least one compressor according to the invention.
  • Advantageous embodiments of the compressor according to the invention are to be regarded as advantageous embodiments of the exhaust gas turbocharger according to the invention and vice versa.
  • the drawing shows in: a schematic sectional view of a compressor according to a first embodiment of an exhaust gas turbocharger of a
  • Internal combustion engine with a compressor housing, with a compressor wheel and with a housing-fixed contour region which surrounds at least a portion of the compressor in the circumferential direction of the compressor wheel over its circumference, wherein the contour region has at least one groove, which open at its one, the compressor wheel facing end and at closed to its other end;
  • FIG. 2 shows a detail of a schematic sectional view of the compressor according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows a detail of a schematic sectional view of the compressor according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a detail of a further schematic sectional view of the compressor according to the first embodiment
  • FIG. 6 shows compressor maps of the compressor according to the third embodiment
  • Fig. 7 compressor maps of the compressor according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows, in a schematic sectional view, a compressor designated as a whole by 10 according to a first embodiment of an exhaust-gas turbocharger
  • the exhaust-gas turbocharger also comprises a turbine which can not be seen in FIG. 1 and which can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine.
  • the turbine is coupled to the compressor 10 so that the compressor from the turbine is drivable.
  • the compressor 10 serves to compress air, which is the
  • Internal combustion engine in particular at least one combustion chamber such as
  • a cylinder of the internal combustion engine is supplied.
  • energy contained in the exhaust gas can be used to compress the air.
  • the compressor 10 is designed as a radial compressor and comprises a compressor housing 12, which housing elements 14, 16 and 18 has.
  • the housing elements 14, 16 and 18 are basically formed separately from each other and connected to each other, wherein the housing elements 16 and 18, for example, are insert parts, which in the
  • Housing element 14 are used or are.
  • the compressor 10 further includes a compressor wheel 20 having a plurality of blades, also referred to as impeller blades 22 or compressor blades.
  • the compressor wheel 20 is received in the compressor housing 12 and rotatable about an axis of rotation 23 relative to the compressor housing 12.
  • By the impeller blades 22 respective flow channels of the compressor wheel 20 are limited, wherein the flow channels are also referred to as wheel channels.
  • Compressive air flows over the impeller blades 22 via respective entry edges disposed in an entry region and then through the respective wheel channel. Further, the air compressed by the compressor wheel 20 flows off the impeller blades 22 via respective exit edges of the impeller blades 22, the exit edges being disposed in an exit region of the compressor wheel 20. Since the compressor 10 as
  • the compressor 10 also has a housing-fixed contour region 24, which surrounds at least a portion of the compressor wheel 20 in the circumferential direction of the compressor wheel 20 over its circumference. From Fig. 1 it can be seen that the contour region 24 is formed by the housing member 18, so that the
  • Housing element 18 is also referred to as a contour element or contour piece.
  • the contour region 24 or the housing element 18 is arranged particularly close to the compressor wheel 20 or its outer contour, which is at least partially covered in the radial outward direction by the contour region 24.
  • Compressor 20 limited.
  • the contour region has grooves 26 which are open at their respective end facing the compressor wheel 20 and closed at their respective other end.
  • the contour region 24 has exactly three grooves 26, the number of grooves 26 being generally designated by a variable N.
  • the variable N is thus one
  • Count variable or a counter that is a whole positive number and at least one.
  • N is 3.
  • the respective groove 26 is straight. This means that the respective groove 26 has a straight course extending from one open end to the other closed end. In this case, the groove 26 extends parallel to the axial direction and thus parallel to the axis of rotation 23. In other words, the respective groove 26 extends parallel to the axial in the first embodiment.
  • ⁇ ⁇ denotes a respective angle which the respective groove 26 encloses with the axial or the rotation axis 23.
  • the angle ⁇ ⁇ is negative when the groove extends from one open end to the other closed end in the direction of the axis of rotation 23.
  • the angle ⁇ ⁇ is positive when the respective groove 26, starting from the one open end to the respective other closed end of the rotation axis 23 extends away.
  • Compressor 20 denotes. About the inlet radius, the compressor 20 can be flown by the means of the compressor 20 to be compressed air. This means that, for example, the aforementioned inlet region of the compressor wheel 20 the
  • Compressor 20 denotes, wherein the outlet radius R 2 is also referred to as wheel outlet radius. About the outlet radius R 2 , the compressor 20 can be flowed away from the compressed air. This means, for example, that the respective, aforementioned exit edge is arranged on the exit radius R 2 .
  • R N is a relative to the axis of rotation, respective radius on which the respective groove 26 is arranged. In other words, the radius R N is on
  • Rotary axis 23 indicates.
  • a respective longitudinal axis, in particular the longitudinal center axis, of the respective groove 26 lies on the respective radius R N.
  • a web 28 of the contour region 24 is arranged so that the both sides of the web 28 arranged, respective grooves 26 are separated from each other by the web 28.
  • a width extending in the radial direction of the respective, between each two of the grooves 26 arranged web 28 is designated.
  • B N is a respective width of the respective groove 26 extending in the radial direction.
  • T N is a respective depth of the respective groove 26 extending from one open to the other closed end of the respective groove 26 Groove 26 in the first embodiment is parallel to the axial, runs correspondingly, the respective depth T N in the axial direction.
  • the housing element 18 can be detached, for example, from the housing element 14 in a non-destructive manner and is thus designed, for example, as an exchangeable contour piece, in particular an exchangeable outer contour piece.
  • a boundary layer blocking device is formed, by means of which the surge limit of the compressor map can be moved towards particularly low throughputs of the compressor 10.
  • the grooves 26 comes one
  • the housing element 16 is, for example, an exchangeable diffuser disk, by means of which a diffuser 30 of the compressor 10 is at least partially delimited.
  • the compressed by means of the compressor 20 air can flow from the compressor 20 and flow into the diffuser 30 and is guided by means of the diffuser 30 to a discharge channel 32 of the compressor housing 12, wherein the discharge channel 32, for example, extends at least substantially helically over the circumference of the compressor wheel 20 , Therefore, the discharge channel 32 is also referred to as a spiral channel or spiral. From Fig. 1 it can be seen that the diffuser 30 from the compressor 20 toward the
  • Abcrystalline 32 extends divergently and thus is designed as a divergent diffuser.
  • the replaceable diffuser disk is thus a continuation of the outer contour piece with the boundary layer blocking device formed by the grooves 26, the effect of which is also dependent on the reaction degree influencing of this special diffuser geometry.
  • the grooves 26 have the same width and the same depth, wherein the web width of the web between the radially innermost groove 26 and the central groove 26 is greater than the web width of the web between the radially outermost groove 26 and the central groove 26.
  • the innermost groove 26 in the radial direction is the groove 26 positioned for the wheel entry, wherein the outermost groove 26 in the radial direction is the groove positioned towards the wheel outlet.
  • the respective angular position of the three grooves 26 is strictly parallel to the axis of rotation 23, ie directly axially, with their respective openings
  • KSM KSM
  • the combination of known KSM with the boundary layer blocking device may be appropriate.
  • the main parameters for the map width optimization are the respective position characterized by the radius R N , the orientation or angular position to the axial, the number N, the width B N , the depth T N of the grooves 26, as well as the angle ⁇ ⁇ the respective width S N of the respective web 28 between the grooves 26.
  • the optimization of the map width can be in particular the requirement that the expansion of the map with
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the compressor 10, wherein the contour region 24 has exactly one groove 26. Furthermore, FIG. 3 shows a third embodiment of the invention
  • Compressor 10 wherein exactly two grooves 26 are arranged in the contour region 24.
  • FIG. 5 shows the compressor 10 according to the second embodiment
  • a surge line designated PG, illustrates a surge limit of a compressor without the barrier isolator illustrated in Figs. 1-4, this compressor being referred to as the base compressor or base. From Fig. 5 to 7 is particularly well seen that the pumping limit PG can be moved through the boundary layer blocking device to the surge limit P and thus to smaller throughputs.
  • Fig. 6 shows the compressor maps corresponding to the compressor 10 according to the third
  • FIG. 7 shows the compressor maps corresponding to the first embodiment.
  • the compressor maps also contain the isolines of the efficiencies.
  • the efficiency difference maps of the compressors 10 are shown with respect to the base without the boundary layer blocking device.
  • the compressors 10 are also referred to as GSV variants or GSV compressors (GSV interface barrier device).
  • GSV variants GSV interface barrier device.
  • GSV interface barrier device common to all of the three GSV variants is the greatest effect of the speeds on a positive pump limit shift, which here has its pressure ratio maxima around the value of 3.
  • the difference maps indicate that hardly exists in the largest map areas of the second embodiment and the third embodiment
  • the first embodiment produces, in the range of pressure ratio 3, the largest pumping limit offset from the base compressor throughput at about 0.25 kilograms per second on the relatively very low flow rates of about 0.15 kilograms per second.
  • a width S N (land width) of 1, 0 millimeters is provided.
  • a groove depth T N of 3.5 millimeters and a groove width B N of 1.4 millimeters are provided.
  • a labyrinth is formed by the grooves 26, so that the width B N is also referred to as the labyrinth width and the depth T N is also referred to as the labyrinth depth.
  • a groove width (B N ) of 1.4 millimeters and a groove depth (T N ) of 3.5 millimeters provided. Furthermore, in the first embodiment, in particular on the innermost web 28 in the radial direction, a web width (S N ) of 2.5 millimeters, a groove width (B N ) of 1.4 millimeters and a groove depth (T N ) of 3, Be provided 5 millimeters.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (10), insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (12), mit einem Verdichterrad (20), welches in dem Verdichtergehäuse (12) um eine Drehachse (23) relativ zu dem Verdichtergehäuse (12) drehbar aufgenommen ist, und mit einem gehäusefesten Konturbereich (24), welcher zumindest einen Teilbereich des Verdichterrads (20) in Umfangsrichtung des Verdichterrads (20) über dessen Umfang umgibt, wobei der Konturbereich (24) wenigstens eine Nut (26) aufweist, welche an ihrem einen, dem Verdichterrad (20) zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen ist.

Description

Daimler AG
Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Verdichter, insbesondere für Abgasturbolader von
Verbrennungskraftmaschinen, sind beispielsweise bereits der DE 198 23 274 C1 und der DE 196 47 605 C2 als bekannt zu entnehmen. Der Verdichter weist ein
Verdichtergehäuse sowie ein Verdichterrad auf, welches in dem Verdichtergehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen ist. Das Verdichterrad dient zum Verdichten von Luft, welche beispielsweise der
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens einem Brennraum wie
beispielsweise einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, zugeführt werden kann.
Ferner weist der Verdichter einen gehäusefesten Konturbereich auf, welcher zumindest einen Teilbereich des Verdichterrads in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang umgibt. Unter dem Begriff„gehäusefest" ist dabei zu verstehen, dass der Konturbereich relativ zu dem Verdichtergehäuse unbeweglich ist, sodass das
Verdichterrad um die Drehachse relativ zu dem Konturbereich drehbar ist. Beispielsweise ist der Konturbereich durch das Verdichtergehäuse, insbesondere ein Gehäuseelement des Verdichtergehäuses, gebildet.
Das Verdichterrad weist mit anderen Worten eine Außenkontur auf, wobei bezogen auf die axiale Richtung des Verdichterrads zumindest ein Längenbereich des Verdichterrads beziehungsweise der Außenkontur des Verdichterrads von dem Konturbereich in
Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang umgeben ist. Dies bedeutet, dass zumindest der Längenbereich der Außenkontur beziehungsweise des Verdichterrads in radialer Richtung nach außen durch den Konturbereich überdeckt ist. Mit anderen Worten ist der Konturbereich über dem Verdichterrad angeordnet. Der Konturbereich ist
BESTÄTIGUNGSKOPIE dabei besonders nahe an dem Verdichterrad beziehungsweise an dessen Außenkontur angeordnet.
Das Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit mittels des Verdichters verdichteter Luft wird auch als Aufladen der Verbrennungskraftmaschine bezeichnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine oder ein aufgeladener Motor beziehungsweise Verbrennungsmotor ist. Die Entwicklung von solchen aufgeladenen Motoren mit hohen Volllast-Momenten bei niedrigen
Motordrehzahlen erfordert - bei Nutzfahrzeug- wie auch bei Personenkraftwagen- Anwendungen - zunehmend verbreiterte Verdichterkennfelder. Das Verdichterkennfeld wird auf seiner linken Seite, das heißt zu geringeren Durchsätzen hin, durch die sogenannte Pumpgrenze des Verdichters begrenzt. Bei vorgegebenem Nennpunkt, also mit dem geforderten Nenndurchsatzpunkt und dem maximalen Momentenpunkt im Verdichterkennfeld wird auch die gewünschte Pumpgrenzenlage des Verdichters maßgebend bestimmt. Die Momentenlinie mit maximal ermöglichbaren Werten der turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine hängt somit bis zu mittleren
Motordrehzahlen häufig von der Pumpgrenzenlage des Verdichters ab. Links der
Pumpgrenze, das heißt bei kleineren Durchsätzen, ist ein stabiler Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Pumpstößen nicht durchführbar. Damit einher geht jedoch das Risiko, dass der Abgasturbolader schon nach geringen Laufzeiten durch Schäden an seinem Laufzeug zerstört wird. Üblicherweise umfasst das Laufzeug das Verdichterrad, eine mit dem Verdichterrad drehfest verbundene Welle sowie ein mit der Welle drehfest verbundenes Turbinenrad einer Turbine, die von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist.
Durch Entwicklung von sogenannten Kennfeld-stabilisierenden Maßnahmen wird seit geraumer Zeit auf die Pumpgrenze hinsichtlich einer Verschiebung zu kleinen
Durchsätzen hin eingewirkt, wodurch das Anfahrmoment und das
Beschleunigungsmoment beziehungsweise das maximal ermöglichbare Motormoment der jeweiligen Verbrennungskraftmaschinen deutlich steigerbar werden.
Bei einer solchen Kennfeld-stabilisierenden Maßnahme handelt es sich beispielsweise um einen als Durchgangsöffnung beziehungsweise Durchgangskanal ausgebildeten
Rezirkulationskanal, über welchen Luft aus wenigstens einem durch Schaufeln des Verdichterrads in Umfangsrichtung begrenzten Radkanal des Verdichterrads zurück zu einem Eintrittsbereich, über welchen das Verdichterrad von der zu verdichtenden Luft anströmbar ist, rückführbar ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders breites Verdichterkennfeld realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um einen Verdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders breites Verdichterkennfeld des Verdichters realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Konturbereich wenigstens eine Nut aufweist, welche an ihrem einen, dem Verdichterrad zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen ist. Dies bedeutet, dass sich die Nut von ihrem einen offenen Ende bis zu ihrem anderen geschlossenen Ende erstreckt. Mit anderen Worten ist die Nut in ihrer Tiefe begrenzt und somit nicht als Durchgangskanal oder Durchgangsöffnung, sondern nach Art eines Sacklochs ausgebildet, wobei die Nut nicht notwendigerweise als Bohrung ausgebildet sein muss. Dies bedeutet, dass ein Gas wie beispielsweise mittels des Verdichterrads zu verdichtende Luft zwar über das eine offene Ende der Nut in die Nut einströmen, jedoch nicht am anderen geschlossenen Ende aus der Nut ausströmen könnte, da am anderen geschlossenen Ende keine Öffnung vorgesehen ist. Vorzugsweise weist die Nut einen sich von dem einen offenen Ende zu dem anderen geschlossenen Ende geraden Verlauf auf.
Durch das Versehen des Konturbereichs mit der wenigstens einen Nut ist es möglich, die Pumpgrenze des Verdichterkennfelds im Vergleich zu herkömmlichen Verdichtern zu geringeren Durchsätzen hin zu verschieben, da die Nut, wenn sie sich beispielsweise in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang im Konturbereich erstreckt, einer RückStrömung vorzugsweise in eine Radgehäuse-Spalt-Grenzschicht zwischen dem Konturbereich und dem Verdichterrad beziehungsweise einer Außenkontur des
Verdichterrads entgegenwirkt. Beispielsweise erstreckt sich die Nut in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang vollständig umlaufend in dem Konturbereich und ist somit zumindest im Wesentlichen ringförmig beziehungsweise nach Art eines geschlossenen Rings ausgebildet.
Der Nut kommt eine strömungsgrenzschichtbeeinflussende Wirkung in der Weise zu, dass eine gewisse Sperrwirkung einer RückStrömung entsteht beziehungsweise die Rückströmungsintensität gemindert wird und sich somit der Kennfeldbereich, in dem das noch gutmütige, rotierende Abreißen der Strömung stattfindet, hin zu kleineren stabil zu betreibenden Durchsatzbereichen des Verdichters ausweiten kann. Die eine
Instabilitätsgrenze darstellende Pumpgrenze stellt sich somit bei geringeren Durchsätzen ein, wodurch höhere Ladedrücke rechts der Pumpgrenze bei geringeren Durchsätzen ermöglichbar sind, die eine Steigerung der Motormomente bei geringeren
Motordrehzahlen begünstigen oder der betreffende Betriebslinienanteil des Motors in verbesserten Wirkungsgradbereichen verlaufen lässt.
Um eine besonders einfache Herstellung der Nut und somit des Verdichters insgesamt zu realisieren, kann die Gestaltung der Nut rotationssymmetrisch zur Drehachse des Verdichterrads erfolgen. Alternativ ist es jedoch denkbar, eine bezogen auf die Drehachse asymmetrische beziehungsweise nicht-rotationssymmetrische Gestaltung der Nut in Umfangsrichtung und/oder zur Drehachse-Normalen-Ebene insbesondere hinsichtlich ihrer Breite und/oder Tiefe vorzusehen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Nut bezogen auf die Drehachse und/oder bezogen auf eine zumindest im
Wesentlichen senkrecht zur Drehachse verlaufende Ebene asymmetrisch, insbesondere nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Die durch die Nut beeinflussbaren thermodynamisch-aerodynamischen Zusammenhänge zur Realisierung einer gewünschten Wirkung der Nuten sind sehr komplex. Im
Allgemeinen ergeben sich doch sehr einfache und kostengünstige Ausgestaltungen, bei denen die Nut beispielsweise durch spanende beziehungsweise spanabhebende
Verfahren beziehungsweise Bearbeitungen oder sogar durch direktes Gießen erzeugbar ist.
Der Konturbereich wird beispielsweise durch das Verdichtergehäuse, insbesondere ein Gehäuseelement des Verdichtergehäuses, gebildet, wobei das Verdichtergehäuse beziehungsweise das Gehäuseelement als Gussteil ausgebildet, das heißt durch Gießen hergestellt sein kann. Dabei ist es möglich, die Nut nach dem Gießen des
Verdichtergehäuses beziehungsweise des Gehäuseelements in den Konturbereich einzubringen, was beispielsweise durch ein spanendes Verfahren geschehen kann. Alternativ ist es denkbar, die Nut bereits direkt beim Gießen des Verdichtergehäuses beziehungsweise Gehäuseelements herzustellen, wobei die Nut beispielsweise mittels eines Kerns beim Gießen hergestellt wird.
Stromab des Verdichterrads ist beispielsweise ein sogenannter Diffusor angeordnet, welcher von mittels des Verdichterrads verdichteter Luft durchströmbar ist. Da das thermodynamische Verhalten von der räumlichen Geometrie des Verdichters und besonders von dessen Verdichterrad und dem stromab folgenden Diffusor in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt bestimmt ist, steht auch die Optimierung der Nut, insbesondere ihrer Geometrie, zu dieser räumlichen Geometrie des betreffenden
Verdichters konkret in Abhängigkeit.
Es ist somit für die Einflussnahme der Geometrie der Nut auf die
Pumpgrenzenverschiebung von Bedeutung, ob der als Strömungskanal fungierende Diffusor des Verdichters beispielsweise divergent oder konvergent längs der
Strömungsrichtung gestaltet ist. Des Weiteren ist interessant, welche Schaufelwinkelwerte sich unterhalb der als Nutöffnung fungierenden Nut befinden und wie groß sich die realisierte Schaufelteilung beziehungsweise Schaufelanzahl des Verdichterrads darstellt. Mit anderen Worten ist die Gestaltung dieser grenzschichtbeeinflussenden Nuten von der örtlichen aerodynamischen Belastung der Strömung abhängig. Diese Geometriemerkmale des Verdichterrads stehen in ihrer Wirkung in Abhängigkeit zur Verdichterdrehzahl beziehungsweise zur Umfangsgeschwindigkeit eines Schaufelaußenbereichs mit der umlenkenden Wirkung unterhalb der als offene Sperrnut wirkenden Nut. Der pulsierende Energie-Austausch zwischen dem Volumen der Nut und den Volumina der rotierenden Laufradschaufeln mit deren Druck- und Saugseiten entlang dem Nutenumfang ergeben merkliche instationäre Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse in den Radkanälen als Turbulenz-Erzeuger, wobei sich Drehzahlabhängigkeiten auf die zu gestaltende
Kennfeldbreite ergeben. Die Radkanäle sind von der Luft durchströmbare Kanäle des Verdichterrads, die in dessen Umfangsrichtung beidseitig von jeweiligen Laufradschaufeln des Verdichterrads begrenzt werden. Diese Laufradschaufeln werden auch als
Verdichterschaufeln bezeichnet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verläuft die Nut parallel zur axialen Richtung des Verdichterrads. Mit anderen Worten, ist die gesamte Nut, das heißt von ihrem einen bis zum anderen Ende gerade oder weist die Nut zumindest einen geraden Teilbereich auf, so verläuft die gerade Nut beziehungsweise der gerade
Teilbereich beispielsweise parallel zur axialen Richtung des Verdichterrads.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Nut, das heißt die gesamte Nut oder ihr gerader Teilbereich, mit der axialen Richtung des Verdichterrads einen Winkel einschließt, welcher größer als -20 Grad und kleiner als 50 Grad ist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Nut beziehungsweise der Teilbereich schräg zur axialen Richtung verläuft. Die Nut kann dabei von ihrem einen offenen bis zu ihrem anderen geschlossenen Ende in Richtung der Drehachse verlaufen, sodass der zuvor genannte Winkel negativ ist, wobei der Winkel vorzugsweise größer als -20 Grad ist. Alternativ ist es denkbar, dass die Nut von ihrem einen offenen Ende zu ihrem anderen geschlossenen Ende von der Drehachse weg verläuft, sodass der zuvor genannte Winkel positiv und vorzugsweise kleiner als 50 Grad ist. Wählt man bei der Gestaltung große positive Winkel erzeugt man in vielen Fällen ungewünscht große Bereiche mit hohen Mischungsverlusten, die eine merkliche Verdichterwirkungsgrad-Minderung nach sich ziehen.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn folgende Bedingung gilt: l,lx— <— < 0,95x0.
Dabei ist ein auf die Drehachse des Verdichterrads bezogener Eintrittsradius des Verdichterrads, wobei das Verdichterrad über diesen Eintrittsradius von der mittels des Verdichterrads zu verdichtenden Luft anströmbar ist. Ferner ist R2 ein auf die Drehachse bezogener Austrittsradius des Verdichterrads, welches über den Austrittsradius von der verdichteten Luft abströmbar ist. Beispielsweise ist auf dem Austrittsradius wenigstens eine Austrittskante einer Laufradschaufel des Verdichterrads angeordnet, wobei diese Laufradschaufel über die Austrittskante von der verdichteten Luft abgeströmt wird. Des Weiteren ist RN ein auf die Drehachse bezogener Radius, auf welchem die Nut angeordnet ist. Dieser Radius wird auch als Positionsradius der Nut bezeichnet.
Außerdem ist QA ein Faktor, welcher 1 ,0 beträgt.
Der Buchstabe N, welcher zuvor als Index verwendet wurde, deutet an, dass eine Mehrzahl von Nuten in dem Konturbereich vorgesehen sein kann, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zu der einen Nut auch auf die anderen Nuten übertragbar sind. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Konturbereich N Nuten aufweist, wobei N die Anzahl der Nuten ist beziehungsweise bezeichnet. Die Anzahl N kann dabei 1 oder größer sein, wobei die Anzahl N vorzugsweise eine positive ganze Zahl ist.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn gilt:
N< 6x—
45mm Wie zuvor beschrieben, bezeichnet dabei N die Anzahl an Nuten des Konturbereichs, wobei die Nuten an ihrem jeweiligen einen, dem Verdichterrad zugewandten Ende offen und an ihrem jeweiligen anderen Ende geschlossen sind. In der obigen Beziehung wird der Austrittsradius R2 des Verdichterrads in der Einheit Millimeter verwendet und durch 45 Millimeter geteilt, woraus ein Faktor resultiert, welcher mit 6 multipliziert wird.
Hierdurch wird eine Größe für die Anzahl N errechnet, wobei das Ergebnis der
Multiplikation 6x— -— beispielsweise kaufmännisch gerundet wird, um auf eine positive
45mm
ganze Zahl für die Anzahl N an Nuten zu kommen.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass, wenn N > 1 , gilt:
0,01< -^ < 0,1.
f
Dabei ist SN eine Breite eines zwischen zwei der Nuten angeordneten Stegs des
Konturbereichs. Mit anderen Worten, weist der Konturbereich eine Mehrzahl von Nuten, das heißt wenigstens zwei Nuten auf, so ist zwischen den zwei Nuten ein Steg des Konturbereichs angeordnet, wobei der Steg eine Stegbreite aufweist, welche mit SN bezeichnet ist. Hierbei wird die aerodynamische Interaktion mehrer Nuten in ihrer Zuordnung zueinander zur Stabilisierung der Strömung bei kleinsten Durchsätzen optimiert.
Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gilt:
0,01 0,06.
Fi
Dabei ist BN eine Breite der Nut.
Wird die Anzahl N der Nuten in den angegebenen Beziehungen beziehungsweise Formeln als Index verwendet, so gibt der Wert von N die Nut an, auf die sich die jeweils zugehörige, vor dem Index stehende Größe bezieht. Dies bedeutet beispielsweise, dass, wenn eine erste Nut und eine zweite Nut vorgesehen sind, B2 die Breite der zweiten Nut angeordnet ist. Dies bedeutet, dass N im Index als Zählvariable verwendet wird, wobei die Anzahl an Stegen um 1 kleiner als die Anzahl an Nuten ist. Somit wird im obigen Beispiel bei genau zwei Nuten genau ein Steg zwischen den zwei Nuten vorgesehen sein, dessen Breite mit Si bezeichnet wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass gilt: l < -^ < 5.
BN
Dabei ist TN eine sich von dem einen offenen zu dem anderen geschlossenen Ende der Nut erstreckende Tiefe der Nut. Da für den vorteilhaften Umfangstransport des
Grenzsschichtmaterials, je nach aerodynamischer Schaufelbelastung, eine örtliche Mindesttiefe der Nut notwendig ist, gibt es mit zunehmender Tiefe eine Minderung, bzw. eine Sättigung der Nuten-Tiefe auf die Verschiebewirkung der Pumpgrenze.
Schließlich ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Nut einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang variierenden Verlauf aufweist. Dies bedeutet beispielsweise, dass die Nut in ihrer Tiefe und/oder ihrer Breite über ihren in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang verlaufenden Verlauf variiert und nicht etwa konstant ausgebildet ist. Ein konstanter Verlauf der Nut ist besonders kostengünstig herzustellen, wobei ein variierender Verlauf vorteilhaft sein kann, um günstige aerodynamische Grenzschicht-Bedingungen über dem Umfang zu realisieren.
Zur Erfindung gehört auch ein Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Verdichter. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Abgasturboladers anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Zeichnung zeigt in: eine schematische Schnittansicht eines Verdichters gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse, mit einem Verdichterrad und mit einem gehäusefesten Konturbereich, welcher zumindest einen Teilbereich des Verdichterrads in Umfangsrichtung des Verdichterrads über dessen Umfang umgibt, wobei der Konturbereich wenigstens eine Nut aufweist, welche an ihrem einen, dem Verdichterrad zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen ist;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Verdichters gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Verdichters gemäß einer dritten Ausführungsform;
Fig. 4 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht des Verdichters gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 Verdichterkennfelder des Verdichters gemäß der zweiten Ausführungsform;
Fig. 6 Verdichterkennfelder des Verdichters gemäß der dritten Ausführungsform;
und
Fig. 7 Verdichterkennfelder des Verdichters gemäß der ersten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Verdichter gemäß einer ersten Ausführungsform für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine. Der Abgasturbolader umfasst auch eine in Fig. 1 nicht erkennbare Turbine, welche von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Die Turbine ist mit dem Verdichter 10 gekoppelt, sodass der Verdichter von der Turbine antreibbar ist. Der Verdichter 10 dient zum Verdichten von Luft, welche der
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere wenigstens einem Brennraum wie
beispielsweise einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine, zugeführt wird. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden.
Der Verdichter 10 ist als Radialverdichter ausgebildet und umfasst ein Verdichtergehäuse 12, welches Gehäuseelemente 14, 16 und 18 aufweist. Die Gehäuseelemente 14, 16 und 18 sind grundsätzlich separat voneinander ausgebildet und miteinander verbunden, wobei die Gehäuseelemente 16 und 18 beispielsweise Einsatzteile sind, welche in das
Gehäuseelement 14 eingesetzt sind beziehungsweise werden.
Der Verdichter 10 umfasst ferner ein Verdichterrad 20 mit einer Mehrzahl von Schaufeln, welche auch als Laufradschaufeln 22 oder Verdichterschaufeln bezeichnet werden. Das Verdichterrad 20 ist in dem Verdichtergehäuse 12 aufgenommen und um eine Drehachse 23 relativ zu dem Verdichtergehäuse 12 drehbar. Durch die Laufradschaufeln 22 sind jeweilige Strömungskanäle des Verdichterrads 20 begrenzt, wobei die Strömungskanäle auch als Radkanäle bezeichnet werden. Die mittels des Verdichterrads 20 zu
verdichtende Luft strömt die Laufradschaufeln 22 über jeweilige, in einem Eintrittsbereich angeordnete Eintrittskanten an und dann durch den jeweiligen Radkanal hindurch. Ferner strömt die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft die Laufradschaufeln 22 über jeweilige Austrittskanten der Laufradschaufeln 22 ab, wobei die Austrittskanten in einem Austrittsbereich des Verdichterrads 20 angeordnet sind. Da der Verdichter 10 als
Radialverdichter ausgebildet ist, strömt die Luft das Verdichterrad 20 über den
Eintrittsbereich zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung an, wobei die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft das Verdichterrad 20 über den Austrittsbereich zumindest im Wesentlichen in radialer und in Richtung des Umfangs abströmt.
Der Verdichter 10 weist darüber hinaus einen gehäusefesten Konturbereich 24 auf, welcher zumindest einen Teilbereich des Verdichterrads 20 in Umfangsrichtung des Verdichterrads 20 über dessen Umfang umgibt. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass der Konturbereich 24 durch das Gehäuseelement 18 gebildet ist, sodass das
Gehäuseelement 18 auch als Konturelement oder Konturstück bezeichnet wird. Der Konturbereich 24 beziehungsweise das Gehäuseelement 18 ist besonders nahe am Verdichterrad 20 beziehungsweise dessen Außenkontur angeordnet, die in radialer Richtung nach außen durch den Konturbereich 24 zumindest teilweise überdeckt ist. Hierdurch ist ein besonders enger Spalt in radialer Richtung nach außen durch den Konturbereich 24 und in radialer Richtung nach innen durch die Außenkontur des
Verdichterrads 20 begrenzt.
Um nun ein besonders breites Kennfeld des Verdichters 10 zu realisieren, wobei das Kennfeld auch als Verdichterkennfeld bezeichnet wird, weist der Konturbereich Nuten 26 auf, welche an ihrem jeweiligen einen, dem Verdichterrad 20 zugewandten Ende offen und an ihrem jeweiligen anderen Ende geschlossen sind. Bei der ersten Ausführungsform weist der Konturbereich 24 genau drei Nuten 26 auf, wobei die Anzahl der Nuten 26 allgemein durch eine Variable N bezeichnet wird. Die Variable N ist somit eine
Zählvariable oder ein Zähler, die beziehungsweise der eine ganze positive Zahl und mindestens 1 ist. Bei der ersten Ausführungsform ist N 3. Bei der ersten Ausführungsform ist die jeweilige Nut 26 gerade ausgebildet. Dies bedeutet, dass die jeweilige Nut 26 eine vom einen offenen Ende bis zum anderen geschlossenen Ende durchgängigen, geraden Verlauf aufweist. Dabei erstreckt sich vorliegend die Nut 26 parallel zur axialen Richtung und somit parallel zur Drehachse 23. Mit anderen Worten verläuft die jeweilige Nut 26 bei der ersten Ausführungsform parallel zur Axialen.
Alternativ dazu ist es denkbar, dass die jeweilige Nut 26 schräg zur Axialen verläuft. Dabei bezeichnet εΝ einen jeweiligen Winkel, den die jeweilige Nut 26 mit der axialen beziehungsweise der Drehachse 23 einschließt. Definitionsgemäß ist der Winkel εΝ negativ, wenn sich die Nut ausgehend vom einen offenen Ende hin zum anderen geschlossenen Ende in Richtung der Drehachse 23 erstreckt. Definitionsgemäß ist der Winkel εΝ positiv, wenn sich die jeweilige Nut 26 ausgehend vom einen offenen Ende hin zum jeweiligen anderen geschlossenen Ende von der Drehachse 23 weg erstreckt.
Ferner ist in Fig. 1 mit ein auf die Drehachse 23 bezogener Eintrittsradius des
Verdichterrads 20 bezeichnet. Über den Eintrittsradius ist das Verdichterrad 20 von der mittels des Verdichterrads 20 zu verdichtenden Luft anströmbar. Dies bedeutet, dass beispielsweise der zuvor genannte Eintrittsbereich des Verdichterrads 20 den
Eintrittsradius Ri aufweist.
Ferner ist in Fig. 1 mit R2 ein auf die Drehachse 23 bezogener Austrittsradius des
Verdichterrads 20 bezeichnet, wobei der Austrittsradius R2 auch als Rad-Austrittsradius bezeichnet wird. Über den Austrittsradius R2 ist das Verdichterrad 20 von der verdichteten Luft abströmbar. Dies bedeutet beispielsweise, dass die jeweilige, zuvor genannte Austrittskante auf dem Austrittsradius R2 angeordnet ist. Darüber hinaus ist RN ein auf die Drehachse bezogener, jeweiliger Radius, auf welchem die jeweilige Nut 26 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Radius RN ein
Positionsradius, der die jeweilige Position der jeweiligen Nut 26 bezogen auf die
Drehachse 23 angibt. Beispielsweise liegt eine jeweilige Längsachse, insbesondere Längsmittelachse, der jeweiligen Nut 26 auf dem jeweiligen Radius RN. Zwischen jeweils zwei der Nuten 26 ist - wie beispielsweise in Zusammenschau mit Fig. 2 erkennbar ist - ein Steg 28 des Konturbereichs 24 angeordnet, sodass die beidseitig des Stegs 28 angeordneten, jeweiligen Nuten 26 durch den Steg 28 voneinander getrennt sind. Dabei ist in Fig. 1 mit SN eine beispielsweise in radialer Richtung verlaufende Breite des jeweiligen, zwischen jeweils zwei der Nuten 26 angeordneten Stegs 28 bezeichnet.
Darüber hinaus ist BN eine jeweilige, beispielsweise in radialer Richtung verlaufende Breite der jeweiligen Nut 26. Schließlich ist TN eine jeweilige, sich von dem einen offenen zu dem anderen geschlossenen Ende der jeweiligen Nut 26 erstreckende Tiefe der jeweiligen Nut 26. Da die jeweilige Nut 26 bei der ersten Ausführungsform parallel zur axialen verläuft, verläuft entsprechend auch die jeweilige Tiefe TN in axialer Richtung.
Das Gehäuseelement 18 kann beispielsweise zerstörungsfrei vom Gehäuseelement 14 gelöst werden und ist somit beispielsweise als auswechselbares Konturstück, insbesondere auswechselbares Außenkonturstück, ausgebildet. Durch die Nuten 26 ist eine Grenzschicht-Sperrvorrichtung gebildet, mittels welcher die Pumpgrenze des Verdichterkennfelds hin zu besonders geringen Durchsätzen des Verdichters 10 verschoben werden kann. Den Nuten 26 kommt eine
strömungsgrenzschichtbeeinflussende Wirkung in der Weise zu, dass eine gewisse Sperrwirkung der Rückströmung der Luft entsteht beziehungsweise die
Rückströmintensität gemindert wird, sodass sich der Kennfeldbereich, in dem das noch gutmütige, rotierende Abreißen der Strömung stattfindet, hin zu kleinen stabil zu betreibenden Durchsatzbereichen des Verdichters 10 ausweiten kann.
Das Gehäuseelement 16 ist beispielsweise eine auswechselbare Diffusorscheibe, durch welche ein Diffusor 30 des Verdichters 10 zumindest teilweise begrenzt ist. Die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft kann vom Verdichterrad 20 abströmen und in den Diffusor 30 einströmen und wird mittels des Diffusors 30 zu einem Abführkanal 32 des Verdichtergehäuses 12 geführt, wobei sich der Abführkanal 32 beispielsweise zumindest im Wesentlichen spiralförmig über den Umfang des Verdichterrads 20 erstreckt. Daher wird der Abführkanal 32 auch als Spiralkanal oder Spirale bezeichnet. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass sich der Diffusor 30 vom Verdichterrad 20 hin zum
Abführkanal 32 divergent erstreckt und somit als divergenter Diffusor ausgebildet ist. Die auswechselbare Diffusorscheibe ist somit eine Fortführung des Außenkonturstücks mit der durch die Nuten 26 gebildeten Grenzschicht-Sperrvorrichtung, deren Wirkung auch zu der Reaktionsgradbeeinflussung dieser speziellen Diffusorgeometrie in Abhängigkeit steht.
Vorliegend weisen die Nuten 26 die gleiche Breite und gleiche Tiefe auf, wobei die Stegbreite des Stegs zwischen der in radialer Richtung innersten Nut 26 und der mittleren Nut 26 größer ist als die Stegbreite des Stegs zwischen der radial äußersten Nut 26 und der mittleren Nut 26. Die in radialer Richtung innerste Nut 26 ist die zum Radeintritt positionierte Nut 26, wobei die in radialer Richtung äußerste Nut 26 die zum Radaustritt positionierte Nut ist. Vorliegend ist die jeweilige Winkellage der drei Nuten 26 streng parallel zur Drehachse 23, also direkt axial, wobei ihre jeweiligen Öffnungen
beziehungsweise offenen Enden auf die Außenkontur des Verdichterrads 20 gerichtet sind. Die Erzeugung dieser Nutgeometrie ist über eine einfache Drehbearbeitung durch entsprechende Einstiche des Drehstahls möglich. Würden die Nuten 26 hingegen unter einem von 0 unterschiedlichen Winkel εΝ positioniert, so würden die Nuten 26
beispielsweise durch eine Fräsbearbeitung unter Zuhilfenahme von Schaftfräsern ebenfalls in einfacher Weise erzeugbar sein.
Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass der Verdichter 10 keine Kennfeld-stabilisierende
Maßnahme (KSM) in Form einer Rezirkulationseinrichtung mit einem Ringkanal und einer Abzapf-Ringöffnung zur Verdichterradaußenkontur aufweist. Bei der Erzeugung von großen Kennfeldbreiten bietet sich gegebenenfalls die Kombination von bekannten KSM mit der Grenzschicht-Sperrvorrichtung an.
Wie bereits angedeutet, sind die Hauptparameter für die Kennfeldbreitenoptimierung die durch den Radius RN charakterisierte jeweilige Position, die durch den Winkel εΝ charakterisierte Orientierung beziehungsweise Winkellage zur Axialen, die Anzahl N, die Breite BN, die Tiefe TN der Nuten 26 sowie die jeweilige Breite SN des jeweiligen Stegs 28 zwischen den Nuten 26. Bei der Optimierung der Kennfeldbreite kann insbesondere die Forderung im Mittelpunkt stehen, dass die Erweiterung des Kennfelds mit
geringstmöglichem Wirkungsgradabschlag zu erreichen ist. Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Verdichters 10, wobei der Konturbereich 24 genau eine Nut 26 aufweist. Ferner zeigt Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des
Verdichters 10, wobei genau zwei Nuten 26 im Konturbereich 24 angeordnet sind.
Fig. 5 zeigt zum Verdichter 10 gemäß der zweiten Ausführungsform gehörende
Kennfelder beziehungsweise Verdichterkennfelder mit den vermessenen Drehzahllinien von der Stoff- zur mit P bezeichneten Pumpgrenze. Eine jeweils mit PG bezeichnete Pumpgrenze veranschaulicht eine Pumpgrenze eines Verdichters ohne die anhand von Fig. 1 bis 4 veranschaulichte Grenzschicht-Sperrvorrichtung, wobei dieser Verdichter als Basis- Verdichter oder Basis bezeichnet wird. Aus Fig. 5 bis 7 ist besonders gut erkennbar, dass die Pumpgrenze PG durch die Grenzschicht-Sperrvorrichtung zur Pumpgrenze P und somit zu kleineren Durchsätzen hin verschoben werden kann.
Fig. 6 zeigt die Verdichterkennfelder, die zum Verdichter 10 gemäß der dritten
Ausführungsform gehören, wobei Fig. 7 die zur ersten Ausführungsform gehörenden Verdichterkennfelder zeigt. Die Verdichterkennfelder enthalten auch die Isolinien der Wirkungsgrade. Auf der jeweiligen, bezogen auf die jeweilige Bildebene von Fig. 5 bis 7 rechten Seite sind jeweils die Wirkungsgrad-Differenzkennfelder der Verdichter 10 in Bezug zu der Basis ohne die Grenzschicht-Sperrvorrichtung dargestellt.
Da die Verdichter 10 im Gegensatz zum Basis- Verdichter die durch die Nuten 26 gebildete Grenzschicht-Sperrvorrichtung aufweisen, werden die Verdichter 10 auch als GSV- Varianten oder GSV- Verdichter bezeichnet (GSV - Grenzschicht-Sperrvorrichtung). Allen der drei GSV- Varianten gemein ist die größte Wirkung der Drehzahlen auf eine positive Pumpgrenzenverschiebung, die hier ihre Druckverhältnismaxima um den Wert von 3 besitzt. Die Differenzkennfelder zeigen an, dass in den größten Kennfeldbereichen der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform kaum
Wirkungsgradabschläge der GSV- Varianten gegenüber dem Basis- Verdichter mit geschlossener glatter Außenkontur bestehen.
Die erste Ausführungsform erzeugt im Bereich des Druckverhältnisses 3 die größte Pumpgrenzenverschiebung von dem Durchsatzwert des Basis-Verdichters bei circa 0,25 Kilogramm pro Sekunde auf den relativ sehr niedrigen Durchsatzwerten von circa 0,15 Kilogramm pro Sekunde. Das Wirkungsgrad-Differenzkennfeld markiert im
Gesamtkennfeld für die erste Ausführungsform einen tendenziell größeren Wirkungsgrad- Aufwand gegenüber den anderen Ausführungsformen. Im Druckverhältnis-Bereich um die 1 ,5 und den Massendurchsätzen unterhalb 0,15 Kilogramm pro Sekunde werden über die Messungen Wirkungsgrad-Abschläge über 2 Prozent sichtbar. In Summe kann diese Fähigkeit der starken Erhöhung des Stabilitätsbereichs des Verdichterbetriebskennfelds bei gewissen, manchmal etwas höheren Wirkungsgrad-Abschlägen in weniger relevanten Kennfeldbereichen, je nach Anwendungsfall, dennoch eine hohe Serienrelevanz mit sich bringen, da diese einfache Maßnahme unter anderen Vorteilen auch mit sehr niedrigem Herstellungs-Aufwand in Verbindung steht.
Bei der zweiten Ausführungsform ist beispielsweise eine Breite SN (Stegbreite) von 1 ,0 Millimetern vorgesehen. Ferner sind beispielsweise bei der zweiten Ausführungsform eine Nuttiefe TN von 3,5 Millimeter und eine Nutbreite BN von 1 ,4 Millimetern vorgesehen. Durch die Nuten 26 ist beispielsweise ein Labyrinth gebildet, sodass die Breite BN auch als Labyrinthbreite und die Tiefe TN auch als Labyrinthtiefe bezeichnet wird.
Bei der dritten Ausführungsform sind beispielsweise eine Stegbreite (SN) von
1 ,0 Millimetern, eine Nutbreite (BN) von 1,4 Millimetern und eine Nuttiefe (TN) von 3,5 Millimetern vorgesehen. Ferner kann bei der ersten Ausführungsform, insbesondere auf den in radialer Richtung innersten Steg 28, eine Stegbreite (SN) von 2,5 Millimetern, eine Nutbreite (BN) von 1 ,4 Millimetern und eine Nuttiefe (TN) von 3,5 Millimetern vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste
Verdichter
Verdichtergehäuse
Gehäuseelement
Gehäuseelement
Gehäuseelement
Verdichterrad
Laufradschaufeln
Drehachse
Konturbereich
Nut
Steg
Diffusor
Abführkanal
Breite
Eintrittsradius
Austrittsradius
Radius
Breite
Tiefe
Pumpgrenze
Pumpgrenze
Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter (10), insbesondere für einen Abgasturbolader einer
Verbrennungskraftmaschine, mit einem Verdichtergehäuse (12), mit einem
Verdichterrad (20), welches in dem Verdichtergehäuse (12) um eine Drehachse (23) relativ zu dem Verdichtergehäuse (12) drehbar aufgenommen ist, und mit einem gehäusefesten Konturbereich (24), welcher zumindest einen Teilbereich des Verdichterrads (20) in Umfangsrichtung des Verdichterrads (20) über dessen Umfang umgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Konturbereich (24) wenigstens eine Nut (26) aufweist, welche an ihrem einen, dem Verdichterrad (20) zugewandten Ende offen und an ihrem anderen Ende geschlossen ist.
2. Verdichter (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (26) parallel zur axialen Richtung des Verdichterrads (20) verläuft.
3. Verdichter (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (26) mit der axialen Richtung des Verdichterrads (20) einen Winkel (εΝ) einschließt, welcher größer als -20 Grad und kleiner als 50 Grad ist.
4. Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
gilt:
Figure imgf000019_0001
wobei:
- I ein auf die Drehachse (23) bezogener Eintrittsradius des Verdichterrads (20) ist, über welchen das Verdichterrad (20) von mittels des Verdichterrads (20) zu verdichtender Luft anströmbar ist;
- f ein auf die Drehachse (23) bezogener Austrittsradius des Verdichterrads (20) ist, über welchen das Verdichterrad (20) von der verdichteten Luft abströmbar ist;
- F , ein auf die Drehachse (23) bezogener Radius ist, auf welchem die Nut (26) angeordnet ist; und
- A = \,0
5. Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
gilt:
N< 6x—
45mm
wobei:
- N die Anzahl an Nuten (26) des Konturbereichs (24) ist, die an ihrem jeweiligen einen, dem Verdichterrad (20) zugewandten Ende offen und an ihrem jeweiligen anderen Ende geschlossen sind; und
- f ein auf die Drehachse (23) bezogener Austrittsradius des Verdichterrads (20) ist, über welchen das Verdichterrad (20) von der verdichteten Luft abströmbar ist.
6. Verdichter (10) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenn N> \ gilt:
0,01 < -§.. < 0,1 wobei:
- £)y eine Breite eines zwischen zwei der Nuten (26) angeordneten Stegs (28) des Konturbereichs (24) ist; und - F ein auf die Drehachse (23) bezogener Austrittsradius des Verdichterrads (20) ist, über welchen das Verdichterrad (20) von der verdichteten Luft abströmbar ist.
7. Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
gilt:
0,01< -^ < 0,06 wobei:
- BN eine Breite der Nut (26) ist; und
- f ein auf die Drehachse (23) bezogener Aüstrittsradius des Verdichterrads (20) ist, über welchen das Verdichterrad (20) von der verdichteten Luft abströmbar ist.
8. Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
gilt:
Figure imgf000020_0001
wobei:
- TN eine sich von dem einen zu dem anderen Ende der Nut (26) erstreckende Tiefe der Nut (26) ist; und
- BN eine Breite der Nut (26) ist.
9. Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nut (26) einen in Umfangsrichtung des Verdichterrads (20) über dessen Umfang variierenden Verlauf aufweist.
10. Abgasturbolader für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines
Kraftwagens, mit wenigstens einem Verdichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2016/000255 2015-02-17 2016-02-15 Verdichter, insbesondere für einen abgasturbolader einer verbrennungskraftmaschine Ceased WO2016131534A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015002028.5A DE102015002028A1 (de) 2015-02-17 2015-02-17 Verdichter, insbesondere für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine
DE102015002028.5 2015-02-17

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004015276A1 (en) * 2002-08-13 2004-02-19 Honeywell International, Inc. Compressor
EP1553304A2 (de) * 2004-01-08 2005-07-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Kreiselverdichter
WO2008100844A1 (en) * 2007-02-14 2008-08-21 Borgwarner Inc. Compressor housing
EP2899407A1 (de) * 2014-01-27 2015-07-29 Pratt & Whitney Canada Corp. Radialverdichter mit rezirkulationsnut im deckband

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19647605C2 (de) 1996-11-18 1999-03-11 Daimler Benz Ag Abgas-Turbolader für Brennkraftmaschinen
DE19823274C1 (de) 1998-05-26 1999-10-14 Daimler Chrysler Ag Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004015276A1 (en) * 2002-08-13 2004-02-19 Honeywell International, Inc. Compressor
EP1553304A2 (de) * 2004-01-08 2005-07-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Kreiselverdichter
WO2008100844A1 (en) * 2007-02-14 2008-08-21 Borgwarner Inc. Compressor housing
EP2899407A1 (de) * 2014-01-27 2015-07-29 Pratt & Whitney Canada Corp. Radialverdichter mit rezirkulationsnut im deckband

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