WO2006117073A1 - Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2006117073A1
WO2006117073A1 PCT/EP2006/003560 EP2006003560W WO2006117073A1 WO 2006117073 A1 WO2006117073 A1 WO 2006117073A1 EP 2006003560 W EP2006003560 W EP 2006003560W WO 2006117073 A1 WO2006117073 A1 WO 2006117073A1
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compressor
compressor wheel
gas turbocharger
wheel
exhaust gas
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PCT/EP2006/003560
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Peter Fledersbacher
Torsten Hirth
Siegfried Sumser
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Daimlerchrysler Ag
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    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
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    • F04D29/4213—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for elastic fluid pumps suction ports

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
  • the exhaust-gas turbocharger comprises a compressor in the intake tract of the internal combustion engine, which is driven via a shaft by a turbine in the exhaust-gas system.
  • the energy of the exhaust gas is converted into a rotational movement of the turbine wheel.
  • the turbine wheel of the turbine is rotatably connected via a shaft with a compressor wheel of the compressor.
  • the rotational movement of the turbine wheel is transmitted via the shaft to the compressor wheel. Due to the rotational movement of the compressor wheel, the compressor sucks in intake air and compresses it to a higher boost pressure, under which the intake air is supplied to the cylinders of the internal combustion engine.
  • the compressor of the internal combustion engine can also be operated in the so-called cold air turbine operation, in which exploited a pressure drop across the compressor for an additional drive of the compressor wheel becomes.
  • an additional channel which extends approximately parallel to the compressor inlet passage and which opens at the level of the compressor wheel blades radially into the compressor inlet passage. This supplemental channel is opened at low loads and speeds such that the intake air impinges radially on the compressor impeller blades and adds an additional driving impulse thereto.
  • the invention has for its object to provide an exhaust gas turbocharger whose speed can be maintained at a minimum level even in a low load and / or speed operation of the engine, especially in cold air turbine operation.
  • false flows of the compressor wheel and the cold air turbine should be avoided and the risk of pumping should be reduced.
  • the exhaust gas turbocharger according to the invention according to claim 1 has a contour ring with Hilfsschaufein.
  • the contoured ring is provided in a wheel inlet region of the compressor wheel which comprises both a radial inlet region and an axial wheel inlet region. In this area of the compressor wheel, the contour ring is on the
  • the efficiency of the exhaust gas turbocharger at low speeds and / or low loads of the internal combustion engine can be increased. Furthermore, the contour ring increases with the auxiliary blades Mass moment of inertia of the compressor wheel, whereby speed fluctuations of the exhaust gas turbocharger can be reduced.
  • the contour ring is formed with the auxiliary blades as a radially vorströmbares cold air Turbinenradgitter.
  • Ver Whyrradaustritt the compressor wheel facing the end of the contour ring in the Ver Whyrradschaufeln via. Due to the transition of the auxiliary blades in the Ver Whyrradschaufeln neither at low speeds and / or low loads of the engine still at medium to high speeds and / or loads of the engine still in cold air turbine operation of the exhaust gas turbocharger, the exhaust gas turbocharger efficiency reducing stall of the intake air.
  • an axial blade contour of the Hilfsschaufein is designed so that starting from the Verêtrradaustritt the end of the contour ring up to a certain vertex of the axial blade contour a first blade angle of the auxiliary blades corresponds to a blade angle of the compressor wheel blades of the compressor wheel, and in that starting from the vertex up to an end of the contour ring remote from the compressor wheel outlet, the auxiliary blades have a second blade angle deviating from the first blade angle.
  • a hook-shaped bucket contour of the auxiliary bucket is created, whereby the flow of the intake air is oriented so that the intake air flows almost completely over the contoured ring and a cold air turbine exit into a compressor wheel exit.
  • the hook-shaped blade contour avoids a flow of the intake air beyond the end of the contour ring facing away from the compressor wheel outlet into the axial wheel entry region.
  • the vertex of the blade angle change with a small axial deviation is at the height of a characteristic edge of a guide grid of a variable compressor geometry.
  • the second blade angle is preferably between 0 ° and 45 °.
  • the outer surface of the contour ring on either a rectilinear shape or a curved, concave shape or a partially rectilinear and a partially curved shape.
  • a further embodiment according to claim 8 continuously increases an outer diameter or an inner diameter and an outer diameter of the contour ring, starting from the apex to an end facing away from the Verdichtradaustritt the compressor wheel end of the contoured ring.
  • the lateral surface of the Contour rings on a curved shape Due to this curved shape of the contoured ring, a blade height of the auxiliary blade also decreases continuously in accordance with the increase in the outer diameter of the contoured ring.
  • This shape of the contour ring also prevents, like the hook-shaped blade contour of the auxiliary blade, a flow of the intake air beyond the end of the contour ring facing away from the compressor wheel outlet of the compressor wheel into the axial wheel inlet region of the compressor wheel.
  • the blade height of Hilfsschaufein reduced at the end facing away from the Verdichtradaustritt the compressor wheel end of the contoured ring preferably to zero.
  • a number of auxiliary blades preferably corresponds to the number of compressor wheel blades.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 2 shows a section through a compressor with variable compressor geometry of the exhaust gas turbocharger according to the invention, in operation of the compressor as a cold air turbine,
  • FIG. 3a shows a partial section through a compressor wheel of the compressor of the exhaust gas turbocharger according to the invention, with a contour ring according to a first embodiment
  • Fig. 3b shows a partial section through the compressor wheel of the compressor of the exhaust gas turbocharger according to the invention with the contour ring according to a second embodiment, wherein a outer circumferential surface of the contour ring has a curved, concave shape,
  • Fig. 4 is a section through the compressor of
  • Fig. 5 is a three-dimensional representation of the
  • Compressor of the exhaust gas turbocharger with the contour ring according to a third embodiment.
  • a turbine wheel 28 of the turbine 3 is non-rotatably connected via a shaft 7 to a compressor wheel 16 of the compressor 5.
  • the turbine 3 is provided with a variable turbine geometry 8 for variably setting the effective turbine inlet cross-section between a minimum stowed position and a maximum open position.
  • the compressor 5 is provided with a variable compressor geometry 9 for variably setting the effective compressor inlet cross-section between a minimum and a maximum opening position.
  • the turbine wheel 28 of the turbine 3 is driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine 1.
  • the rotational movement of the Turbine wheel 28 is transmitted via the shaft 7 to the compressor wheel 16 of the compressor 5, whereupon intake air is sucked under ambient pressure and compressed to an elevated pressure.
  • Downstream of the compressor 5 is located in the intake manifold 6, a charge air cooler 10, in which the compressed air is cooled. Subsequently, the air is supplied under boost pressure not shown cylinders of the internal combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 is also associated with an exhaust gas recirculation device 11, which includes an exhaust gas recirculation line 12, which branches off from the exhaust line 4 upstream of the turbine 3 and opens into the intake tract 6 downstream of the charge air cooler 10.
  • an exhaust gas recirculation line 12 is an adjustable check valve 13 and an exhaust gas cooler 14th
  • All units of the internal combustion engine 1 are set in dependence on state and operating variables of the internal combustion engine 1 and the units themselves of control signals of a control and regulation unit 15. This relates in particular to the variable turbine geometry 8, the variable compressor geometry 9 and the check valve 13 in the exhaust gas recirculation line 12.
  • Fig. 2 shows a position of the variable compressor geometry 9 of the compressor 5, in which the compressor 5 is operated in the cold air turbine mode.
  • the variable compressor geometry 9 is in the form of a sleeve-shaped partition wall 31, a punch 33 and a guide grid 34.
  • the compressor wheel 16 is rotatably mounted in a compressor housing 30. The drive of the compressor wheel 16 via the shaft 7.
  • the compressor housing 30 has a compressor inlet passage 29th in which the sleeve-shaped, axially displaceable partition wall 31 is arranged, which divides an annular additional channel 32 from the compressor inlet channel 29.
  • a side facing away from the compressor 16 end face 47 of the sleeve-shaped partition wall 31 is acted upon by the punch 33, whereby the sleeve-shaped partition wall 31 is pressed in the direction of a compressor wheel 16 adjacent housing wall portion 48.
  • the sleeve-shaped partition wall 31 is acted upon by a non-illustrated spring element in the opposite direction, so that when withdrawn punch 33 a closed in Fig. 2 port opening 49 of the additional channel 32 is released into a radial Radein SharePoints Quarry 19 of the compressor wheel 16, the axially in height the compressor impeller blades 18 is located.
  • the annular guide grid 34 is disposed near the Ver Whyrradschaufeln 18 in a radial Radeinström Scheme 19.
  • the over the additional channel 32 and released in the withdrawn stamp 33 orifice 49 of the additional channel 32 incoming intake air impinges on the Ver Whyrradschaufeln 18 with high peripheral speed and this puts an angular momentum.
  • This mode of operation is carried out in particular in the lower load and / or speed range of the internal combustion engine 1, in which there is a pressure drop between a compressor inlet, not shown, and a compressor outlet, not shown.
  • the described mode of operation makes it possible to operate the compressor 5 in so-called cold-air turbine operation.
  • this cold air turbine operation 16 drive power is absorbed by the compressor wheel, whereby the speed of the exhaust gas turbocharger 2 in the operating ranges of Internal combustion engine 1 at low load and / or speed can be maintained at a minimum level.
  • FIG. 3 a shows a partial section through the compressor wheel 16 of the compressor 5 of the exhaust-gas turbocharger according to the invention in accordance with a first exemplary embodiment.
  • the compressor wheel 16 has a contoured ring 17 running rectilinearly on an outer lateral surface 21, which has auxiliary blades 20 and additional blades 23.
  • the contoured ring 17 is mounted on the compressor wheel 16 at a compressor wheel outlet 22 of the compressor 16 remote from the end of the compressor wheel 16, that it from intake air from the radial Radein SharePoints Scheme 19 of the compressor 16 and from the axial Radeinlingers Scheme 36 of the compressor 16 can be flowed.
  • the contour ring 17 here has a thickness D of 1 mm.
  • the auxiliary blades 20 are attached to a lateral surface 21 of the contour ring 17.
  • the auxiliary blades 20 have a blade height H.
  • the blade height H of the auxiliary blades 20 is preferably about 10% of a blade height HV of the compressor wheel blades 18.
  • the blade height HV corresponds to the Height of the compressor wheel blades 18 at a Ver Whyrradeintritt 46 in the axial Radeintritts Symposium 36th
  • the turbocharger 2 In certain operating ranges of the engine 1 shown in Fig. 1, at low load and / or low speed or cold air turbine operation in which small mass flow through the internal combustion engine 1, or low intake air masses through the compressor 5 and low exhaust gas masses through the turbine 3 , the turbocharger 2 is exposed to large speed fluctuations. In these operating areas, a false flow of the intake air occurs on the compressor wheel 16.
  • the intake air flows from the additional channel 32 via the variable compressor geometry 9 into the radial wheel inlet region 19. From the radial wheel inlet region 19, it continues to flow into a cold air turbine inlet 41 of the compressor wheel 16.
  • the flow of the intake air can be divided causes a part of the intake air to flow into the axial wheel inlet region 36 shown in FIG. 2 and the other part of the intake air to flow into the compressor wheel outlet 22.
  • Fig. 3a provided with Hilfsschaufein 20 contour ring 17 leads as far as possible to a flow of the intake air from the radial cold air turbine inlet 41 to the Hilfsschaufein 20 formed by the Hilfsschaufein 20, shown in detail in Fig. 4 auxiliary vane channels 46. From there, the intake air flows axially further via an air outlet 42 from the auxiliary blade channels 46, hereinafter referred to with cold air turbine outlet 42, directly to the radial Verêtrradaustritt 22nd
  • the additional blades 23 are arranged on the contour ring 17 between the Hilfsschaufein 20, the additional blades 23 are arranged.
  • the decisive factor for a successful cold-air turbine operation is a pressure gradient between a pressure at the cold-air turbine wheel inlet 41 and the cold-air turbine outlet 42. This pressure gradient can be increased by reducing the effective cross section of the cold-air turbine inlet 41. The reduction can take place, on the one hand, by the shape, the thickness and the number of auxiliary slides 20.
  • the arrangement of the additional blades 23 between the auxiliary blades 20 represents a further possibility of reducing the effective cross section of the cold air Turbinenradeintrittes 41.
  • FIG. 3b shows a partial section through the compressor wheel 16 of the compressor 5 of the exhaust gas turbocharger according to the invention with the contour ring 17 according to a second embodiment.
  • the outer circumferential surface 21 of the contour ring 17 shown rectilinearly in FIG. 3a has an inwardly curved, concave shape in FIG. 3b.
  • An inner diameter DI of the contour ring 17 and an outer diameter DA of the contour ring 17 increase from a vertex S starting continuously toward a Ver Whyrradaus boulder 22 of the compressor 16 facing the end 25 of the contour ring 17 or to the Ver emphasizerradaustritt 22 of the compressor 16 remote from the end 26 of the contour ring 17.
  • a determination of the vertex S is explained in more detail in the description of FIG.
  • the Ver emphasizerradaustritt 22 of the compressor wheel 16 facing the end 25 of the contour ring 17 is hereinafter referred to as the first end 25 and the
  • Ver Whyrradaustritt 22 of the compressor 16 remote end 26 of the contour ring 17 is hereinafter referred to as the second end 26.
  • the blade height H of the auxiliary blade 20 is reduced to zero at the second end 26 of the contour ring 17.
  • This configuration of the contour ring 17 largely prevents a flow of intake air through the second end 26 of the contour ring 17 in the axial Radeintritts Scheme 36 and there is a flow of intake air through the contour ring 17 and the cold air turbine outlet 42 directly to Ver emphasizerradaustritt 22. Part the flow can still take place via the contoured ring 17 in the axial wheel entry region 36.
  • the compressor 5 has the variable compressor geometry 9.
  • the variable compressor geometry 9 is in the form of the sleeve-shaped partition wall 31 in connection with the punch 33 and the guide grid 34, the sleeve-shaped partition wall 31 being axially displaceable by the punch 33.
  • Leitgitterschaufein 37 of the guide grid 34 are received in an opening 35 of the sleeve-shaped partition wall 31.
  • a the Leitgitterschaufeln 37 carrying thick-walled ring 38 of the guide grid 34 has a required for the design of the auxiliary blades 20 characteristic edge 39.
  • This characteristic edge 39 represents a cutting edge of a
  • the ring 38 is fixedly connected to the compressor housing 30.
  • An axial blade contour 27 of the auxiliary blades 20 is formed such that, starting from the first end 25 of the contour ring 17 to the apex S, a first Blade angle ß of the auxiliary blades 20 corresponds to a blade angle ⁇ of the compressor wheel blades 18.
  • the auxiliary blades 20 have a second blade angle ⁇ which deviates from the first blade angle ⁇ .
  • the second blade angle ⁇ is preferably between 0 and 45 °.
  • the second blade angle ⁇ is aligned so that it is always aligned against blade angle ⁇ at blade angles that are greater than 0 °, that is, the second blade angle ⁇ is always aligned counter to a direction of rotation of the compressor 16.
  • the vertex S is chosen so that it has a certain axial distance 40 to the characteristic edge 39. This configuration of the axial blade contour 27 largely prevents false starts of the auxiliary blades 20.
  • the size of the gap 40 depends on the operating points of the compressor operation.
  • the auxiliary blades 20 sit separated only by the contour ring 17 on the Ver Whyrradschaufeln 18 and go to the first end 25 of the contour ring 17 in the
  • the compressor wheel 16 and the contour ring 17 with the auxiliary blades 20 can be designed as a one-piece component or as a multi-part component. Likewise, the compressor wheel 16 and the contour ring 17 may be performed with the auxiliary blades 20 and the additional blades 23 as a one-piece component or as a multi-part component.
  • each compressor wheel 18 is associated with an auxiliary blade 20.
  • the additional blades 23 arranged on the contour ring 17 between the auxiliary blade 20 have a shorter axial extent than the auxiliary blade 20.
  • the radial wheel entry region 19 can be more or less closed or opened by a corresponding displacement of the sleeve-shaped partition 31.
  • the radial wheel inlet region 19 shown in FIG. 4 is greatly reduced by means of the variable compressor geometry 9.
  • the sleeve-shaped partition 31 is pushed so far in the direction of the ring 38 until a corresponding gap between the sleeve-shaped partition wall 31 and the ring 38 is made.
  • the auxiliary blades 23 have an axial length shortened compared to the auxiliary blades 20 on.
  • the additional blades 23 in this exemplary embodiment extend approximately from the vertex S of the auxiliary blades 20 to the first end 25 of the contour ring 17. If the radial wheel entry region 19 is opened up to the second end 26 of the contoured ring 17, that is, the sleeve-shaped partition wall 31 is displaced so far that the radial wheel inlet region 19 is open to the second end 26 of the contoured ring 17, the flow takes place on the contour ring 17 with a radial component. The intake air flows completely over the contoured ring 17 with the auxiliary blades 20 in the Verêtrradaustritt 22nd
  • a further displacement of the sleeve-shaped partition wall 31 or a further opening of the radial Radeintritts Schemes 19 results in addition to the radial flow, an axial flow of the compressor wheel 16.
  • the intake air flows only a portion of the intake air via the contour ring 17 with the auxiliary blades 20 in the Verêtrradaustritt 22.
  • Der Other part of the intake air conventionally flows below the contour ring 17 onto the compressor wheel 16 along the compressor wheel blades 18 into the compressor wheel outlet 22.
  • FIG. 5 shows a three-dimensional representation of the compressor wheel 16 with the auxiliary blades 20 having contour ring 17 is shown according to a third embodiment for better understanding.
  • the outer circumferential surface 21 of the contour ring 17 has a rectilinear shape.
  • the contour ring 17 with the auxiliary blades 20 can also be used in the operation of the compressor 5 to shift a surge line.
  • the surge line extends in a compressor map from a range of small mass flows at low exhaust gas turbocharger speeds to large mass flows at high exhaust gas turbocharger speeds. She separates the area of the compressor 5 in which the compressor 5 sucks and compresses reliably from the area of the compressor 5, in which the compressor no longer works reliably reliable.
  • the surge limit of the compressor 5 should not be exceeded during operation. If the air mass flows are too small, the flow from the compressor wheel blades 18 of the compressor 5 is released. As a result, the delivery process becomes unstable. The air flows backwards through the compressor 5 until a stable pressure ratio is established again. The pressure builds up again. The process is repeated in quick succession. This creates a noise, the so-called pump noise.
  • the auxiliary blades 20 shown in FIG. 4 can be used effectively as turbulence generators. This results in a shift of the surge line towards lower mass flows.
  • a direction indicated in Fig. 4 perforation 50 of the Ver Whyrradaustritt 22 facing away from the end of the contoured ring 17 between the auxiliary blades 20 may also cause a shift of the surge line towards lower mass flows. Due to the connection of the region lying below the contour ring 17 with the region lying above the lateral surface of the contour ring 17 due to the perforation, there is a circulation of the intake air located there, which can produce a displacement of the surge line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Turbinenrad einer Turbine, das über eine Welle mit einem Verdichterrad eines Verdichters drehfest verbunden ist, wobei der Verdichter eine variable Verdichtergeometrie mit einem Stempel und mit einer hülsenförmigen Trennwand aufweist, und die hülsenförmige Trennwand einen radial auf das Verdichterrad auf treffenden Zusatzkanal teilweise oder ganz öffnen oder schliessen kann, und die Anströmung des Verdichterradschaufeln aufweisenden Verdichterrades axial über einen axialen Radeintrittsbereich und radial über einen radialen Radeintrittsbereich, in welchen der Zusatzkanal mündet, erfolgen kann. Erfindungsgemäss besitzt das Verdichterrad (16) einen Hilfsschaufeln (20) aufweisenden Konturring (17), der auf den Verdichterradschaufeln (18) des Verdichterrades (16) in dem radialen und dem axialen Radeintrittsbereich (19, 36) des Verdichterrades (16) vorgesehen ist. Die Erfindung wird überwiegend für Abgasturbolader im Kraftfahrzeugbau eingesetzt.

Description

DaimlerChrysler AG
Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein gattungsgemäßer Abgasturbolader ist in der Druckschrift DE 100 49 198 Al beschrieben. Der Abgasturbolader umfasst einen Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, der über eine Welle von einer Turbine im Abgasstrang angetrieben wird. In der Turbine wird die Energie des Abgases in eine Drehbewegung des Turbinenrades umgesetzt. Das Turbinenrad der Turbine ist über eine Welle mit einem Verdichterrad des Verdichters drehfest verbunden. Die Drehbewegung des Turbinenrades wird über die Welle auf das Verdichterrad übertragen. Aufgrund der Drehbewegung des Verdichterrades saugt der Verdichter Ansaugluft an und verdichtet sie auf einen höheren Ladedruck, unter dem die Ansaugluft den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Um insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine einen Drehzahlabfall des Abgasturboladers zu vermeiden oder möglichst gering zu halten, kann der Verdichter der Brennkraftmaschine auch im so genannten Kaltluft-Turbinenbetrieb betrieben werden, bei dem ein Druckgefälle über dem Verdichter für einen zusätzlichen Antrieb des Verdichterrades ausgenutzt wird. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades ist im Verdichtergehäuse ein Zusatzkanal vorgesehen, welcher sich etwa parallel zum Verdichtereinlasskanal erstreckt und der in Höhe der Verdichterradschaufeln radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Dieser Zusatzkanal wird bei niedrigen Lasten und Drehzahlen geöffnet, so dass die Ansaugluft radial auf die Verdichterradschaufeln auftrifft und diesen einen zusätzlichen antreibenden Impuls versetzt.
Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader zu schaffen, dessen Drehzahl auch in einem niedrigen Last- und/oder Drehzahlbetrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere im Kaltluft-Turbinenbetrieb, auf einem Mindestniveau gehalten werden kann. Insbesondere sollen Fehlanströmungen des Verdichterrades und der Kaltluft-Turbine vermieden und die Gefahr des Pumpens verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Der erfindungsgemäße Abgasturbolader nach Anspruch 1 weist einen Konturring mit Hilfsschaufein auf. Der Konturring ist in einem Radeintrittsbereich des Verdichterrades vorgesehen, der sowohl einen radialen Eintrittsbereich als auch einen axialen Radeintrittsbereich umfasst. In diesem Bereich des Verdichterrades ist der Konturring auf den
Verdichterradschaufeln angebracht. Durch die Anordnung des mit Hilfsschaufein versehenen Konturringes im
Radeintrittsbereich des Verdichterrades kann der Wirkungsgrad des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine gesteigert werden. Des Weiteren erhöht der Konturring mit den Hilfsschaufeln ein Massenträgheitsmoment des Verdichterrades, wodurch Drehzahlschwankungen des Abgasturboladers reduziert werden können .
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist der Konturring mit den Hilfsschaufeln als radial anströmbares Kaltluft-Turbinenradgitter ausgebildet. Dadurch kann insbesondere im Kaltluft-Turbinenbetrieb eine Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers erreicht werden.
In einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind die
Hilfsschaufeln in vorteilhafter Weise auf einer äußeren
Mantelfläche des Konturrings angebracht.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 4 sitzen die Hilfsschaufeln nur durch den Konturring getrennt auf den Verdichterradschaufeln. Sie gehen an einem
Verdichterradaustritt des Verdichterrades zugewandten Ende des Konturrings in die Verdichterradschaufeln über. Durch den Übergang der Hilfsschaufeln in die Verdichterradschaufeln besteht weder bei niedrigen Drehzahlen und/oder niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine noch bei mittleren bis hohen Drehzahlen und/oder Lasten der Brennkraftmaschine noch im Kaltluft-Turbinenbetrieb des Abgasturboladers ein den Abgasturboladerwirkungsgrad mindernder Strömungsabriss der Ansaugluft .
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist eine axiale Schaufelkontur der Hilfsschaufein so gestaltet, dass ausgehend von dem dem Verdichterradaustritt zugewandten Ende des Konturrings bis zu einem bestimmten Scheitelpunkt der axialen Schaufelkontur ein erster Schaufelwinkel der Hilfsschaufeln einem Schaufelwinkel der Verdichterradschaufeln des Verdichterrades entspricht, und dass ausgehend von dem Scheitelpunkt bis zu einem dem Verdichterradaustritt abgewandten Ende des Konturrings die Hilfsschaufein einen von dem ersten Schaufelwinkel abweichenden zweiten Schaufelwinkel aufweisen. Durch die Änderung des Schaufelwinkels der Hilfsschaufein von einem ersten Schaufelwinkel in einen zweiten Schaufelwinkel entsteht eine hakenförmige Schaufelkontur der Hilfsschaufein, wodurch die Strömung der Ansaugluft so ausgerichtet wird, dass die Ansaugluft nahezu vollständig über den Konturring und einen Kaltluft-Turbinenradaustritt in einen Verdichterradaustritt strömt. Die hakenförmige Schaufelkontur vermeidet eine Strömung der Ansaugluft über das dem Verdichterradaustritt abgewandte Ende des Konturrings hinaus in den axialen Radeintrittsbereich. Um eine Fehlanströmung der Hilfsschaufein zu vermeiden liegt der Scheitelpunkt der Schaufelwinkeländerung mit einer geringen axialen Abweichung auf der Höhe einer charakteristischen Kante eines Leitgitters einer variablen Verdichtergeometrie.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 liegt der zweite Schaufelwinkel vorzugsweise zwischen 0° und 45°.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 weist in einem Längsschnitt des Konturringes die äußere Mantelfläche des Konturringes entweder eine geradlinige Form oder eine gebogene, konkave Form oder eine teilweise geradlinige und eine teilweise gebogene Form auf.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 8 vergrößert sich kontinuierlich ein Außendurchmesser oder ein Innendurchmesser und ein Außendurchmesser des Konturrings ausgehend von dem Scheitelpunkt bis zu einem dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades abgewandten Ende des Konturringes. Dadurch weist die Mantelfläche des Konturrings eine gebogene Form auf. Durch diese gebogene Form des Konturringes verringert sich eine Schaufelhöhe der Hilfsschaufein ebenfalls kontinuierlich entsprechend der Vergrößerung des Außendurchmessers des Konturringes. Diese Form des Konturrings verhindert ebenfalls, wie die hakenförmige Schaufelkontur der Hilfsschaufein, eine Strömung der Ansaugluft über das dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades abgewandten Ende des Konturringes hinaus in den axialen Radeintrittsbereich des Verdichterrades.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 9 reduziert sich die Schaufelhöhe der Hilfsschaufein an dem dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades abgewandten Ende des Konturringes vorzugsweise auf Null.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 vergrößert sich kontinuierlich der Außendurchmesser oder der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des Konturrings ausgehend von dem Scheitelpunkt bis zu einem dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades zugewandten Ende des Konturringes. Dadurch weist die Mantelfläche des Konturrings ebenfalls eine gebogene' Form auf. Durch diese gebogene Form des Konturringes verringert sich die Schaufelhöhe der Hilfsschaufein ebenfalls kontinuierlich entsprechend der Vergrößerung des Außendurchmessers des Konturringes. Diese Form des Konturrings begünstigt eine direkte Strömung der Ansaugluft in den Verdichterradaustritt und verhindert die Strömung der Ansaugluft über das dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades abgewandten Ende des Konturringes hinaus in den axialen Radeintrittsbereich des Verdichterrades .
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 11 sind zwischen den Hilfsschaufein auf dem Konturring Zusatzschaufeln angeordnet. Durch diese Zusatzschaufeln kann der Wirkungsgrad des Abgasturboladers im Kaltluft- Turbinenbetrieb weiter gesteigert werden. Des Weiteren erhöhen die Zusatzschaufeln das Massenträgheitsmoment des Verdichterrades, so dass Drehzahlschwankungen des Abgasturboladers weiter reduziert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 entspricht eine Anzahl der Hilfsschaufeln vorzugsweise der Anzahl der Verdichterradschaufeln .
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, in Betriebsweise des Verdichters als Kaltluft-Turbine,
Fig. 3a einen teilweisen Schnitt durch ein Verdichterrad des Verdichters des erfindungsgemäßen Abgasturboladers, mit einem Konturring entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3b einen teilweisen Schnitt durch das Verdichterrad des Verdichters des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit dem Konturring entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei eine äußere Mantelfläche des Konturrings eine gebogene, konkave Form aufweist,
Fig. 4 einen Schnitt durch den Verdichter des
Abgasturboladers mit einer Draufsicht auf das Verdichterrad nach Fig. 3a und
Fig. 5 eine dreidimensionale Darstellung des
Verdichterrades des Abgasturboladers , mit dem Konturring entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel .
In den folgenden Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1, ein Ottomotor oder ein Dieselmotor, ist mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Turbine 3 in einem Abgasstrang 4 der Brennkraftmaschine 1 und einen Verdichter 5 in einem Ansaugtrakt 6 der Brennkraftmaschine 1 umfasst. Ein Turbinenrad 28 der Turbine 3 ist über eine Welle 7 drehfest mit einem Verdichterrad 16 des Verdichters 5 verbunden. Die Turbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes zwischen einer minimalen Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition versehen. Der Verdichter 5 ist mit einer variablen Verdichtergeometrie 9 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Verdichtereintrittsquerschnittes zwischen einer minimalen und einer maximalen Öffnungsposition versehen.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird das Turbinenrad 28 der Turbine 3 von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine 1 angetrieben. Die Drehbewegung des Turbinenrades 28 wird über die Welle 7 auf das Verdichterrad 16 des Verdichters 5 übertragen, woraufhin Ansaugluft unter Umgebungsdruck angesaugt und auf einen erhöhten Druck verdichtet wird. Stromab des Verdichters 5 befindet sich im Ansaugtrakt 6 ein Ladeluftkühler 10, in welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Anschließend wird die Luft unter Ladedruck nicht näher dargestellten Zylindern der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Der Brennkraftmaschine 1 ist außerdem eine Abgasrückführungseinrichtung 11 zugeordnet, die eine Abgasrückführleitung 12 umfasst, welche vom Abgasstrang 4 stromauf der Turbine 3 abzweigt und in den Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 10 einmündet. In der Abgasrückführleitung 12 befindet sich ein einstellbares Sperrventil 13 und ein Abgaskühler 14.
Sämtliche Aggregate der Brennkraftmaschine 1 werden in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 sowie der Aggregate selbst von Stellsignalen einer Regel- und Steuereinheit 15 eingestellt. Dies betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 8, die variable Verdichtergeometrie 9 und das Sperrventil 13 in der Abgasrückführleitung 12.
Die Fig. 2 zeigt eine Stellung der variablen Verdichtergeometrie 9 des Verdichters 5, bei der der Verdichter 5 im Kaltluft-Turbinenbetrieb betrieben wird. Die variable Verdichtergeometrie 9 liegt in Form einer hülsenförmigen Trennwand 31, eines Stempels 33 und eines Leitgitters 34 vor. Das Verdichterrad 16 ist drehbar in einem Verdichtergehäuse 30 gelagert. Der Antrieb des Verdichterrades 16 erfolgt über die Welle 7. Das Verdichtergehäuse 30 weist einen Verdichtereinlasskanal 29 auf, in dem die hülsenförmige, axial verschiebbare Trennwand 31 angeordnet ist, die einen ringförmigen Zusatzkanal 32 von dem Verdichtereinlasskanal 29 abteilt. Eine dem Verdichterrad 16 abgewandte Stirnseite 47 der hülsenförmigen Trennwand 31 wird von dem Stempel 33 beaufschlagt, wodurch die hülsenförmigen Trennwand 31 in Richtung auf einen am Verdichterrad 16 benachbarten Gehäusewandabschnitt 48 gedrückt wird. Die hülsenförmigen Trennwand 31 ist von einem nicht näher dargestellten Federelement in die Gegenrichtung kraftbeaufschlagt, so dass bei zurückgezogenem Stempel 33 eine in Fig. 2 geschlossen dargestellte Mündungsöffnung 49 des Zusatzkanals 32 in einen radialen Radeintrittsbereich 19 des Verdichterrades 16 freigegeben wird, die sich axial in Höhe der Verdichterradschaufeln 18 befindet.
In dem Zusatzkanal 32 ist nahe den Verdichterradschaufeln 18 in einem radialen Radeinströmbereich 19 das ringförmige Leitgitter 34 angeordnet. Die über den Zusatzkanal 32 und die bei zurückgezogenem Stempel 33 freigegebene Mündungsöffnung 49 des Zusatzkanals 32 einströmende Ansaugluft trifft mit hoher Umfangsgeschwindigkeit auf die Verdichterradschaufeln 18 auf und versetzt diesen einen Drehimpuls. Diese Betriebsweise wird insbesondere im unteren Last- und/oder Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt, in der zwischen einem nicht näher dargestellten Verdichtereintritt und einem nicht näher dargestellten Verdichteraustritt ein Druckabfall herrscht.
Die beschriebene Betriebsweise ermöglicht es, den Verdichter 5 im so genannten Kaltluft-Turbinenbetrieb zu betreiben. In diesem Kaltluft-Turbinenbetrieb wird über das Verdichterrad 16 Antriebsleistung aufgenommen, wodurch die Drehzahl des Abgasturboladers 2 auch in den Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1 bei niedriger Last- und/oder Drehzahl auf einem Mindestniveau gehalten werden kann.
Mit zunehmender Last- und/oder Drehzahl wird der in Fig. 2 dargestellte Stempel 33 soweit zurückgefahren, bis ein unmittelbarer Strömungsweg an der dem Stempel 33 benachbarten Stirnkante 47 der hülsenförmigen Trennwand 31 vorbei in Richtung auf einen axialen Radeintrittsbereich 36 des Verdichterrades 16 freigegeben ist. Der Großteil der Ansaugluft strömt in dieser Stellung im Wesentlichen axial auf das Verdichterrad 16. In diesem Betriebsbereich des Verdichters liegt kein Kaltluft-Turbinenbetrieb vor. Die Ansaugluft wird von nahezu Umgebungsdruck auf einen Ladedruck komprimiert .
In der Fig. 3a ist ein teilweiser Schnitt durch das Verdichterrad 16 des Verdichters 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem ersten Ausfϋhrungsbeispiel dargestellt. Das Verdichterrad 16 weist einen an einer äußeren Mantelfläche 21 geradlinig verlaufenden Konturring 17 auf, der Hilfsschaufeln 20 und Zusatzschaufeln 23 besitzt. Der Konturring 17 ist so auf dem Verdichterrad 16 an einem einem Verdichterradaustritt 22 des Verdichterrades 16 abgewandten Ende des Verdichterrades 16 angebracht, dass er von Ansaugluft aus dem radialen Radeintrittsbereich 19 des Verdichterrades 16 als auch aus dem axialen Radeintrittsbereich 36 des Verdichterrades 16 anströmbar ist.
Der Konturring 17 weist hier eine Dicke D von 1 mm auf. Die Hilfsschaufeln 20 sind an einer Mantelfläche 21 des Konturrings 17 angebracht. Die Hilfsschaufeln 20 weisen eine Schaufelhöhe H auf. Die Schaufelhöhe H der Hilfsschaufeln 20 liegt vorzugsweise bei ca. 10% einer Schaufelhöhe HV der Verdichterradschaufeln 18. Die Schaufelhöhe HV entspricht der Höhe der Verdichterradschaufeln 18 an einem Verdichterradeintritt 46 im axialen Radeintrittsbereich 36.
In bestimmten Betriebsbereichen der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1, bei niedriger Last und/oder niedriger Drehzahl oder im Kaltluft-Turbinenbetrieb, in denen geringe Massen durch die Brennkraftmaschine 1, beziehungsweise geringe Ansaugluftmassen durch den Verdichter 5 und geringe Abgasmassen durch die Turbine 3 strömen, ist der Abgasturbolader 2 großen Drehzahlschwankungen ausgesetzt. In diesen Betriebsbereichen tritt eine Fehlanströmung der Ansaugluft auf das Verdichterrad 16 auf. Die Ansaugluft strömt aus dem Zusatzkanal 32 über die variable Verdichtergeometrie 9 in den radialen Radeintrittsbereich 19. Aus dem radialen Radeintrittsbereich 19 strömt sie weiter in einen Kaltluft-Turbineneintritt 41 des Verdichterrades 16. Hier kann es zu einer Teilung der Strömung der Ansaugluft kommen, die dazu führt, dass ein Teil der Ansaugluft in den in Fig. 2 dargestellten axialen Radeintrittsbereich 36 strömt und der andere Teil der Ansaugluft in den Verdichterradaustritt 22 strömt.
Der in Fig. 3a dargestellte, mit Hilfsschaufein 20 versehene Konturring 17 führt weitestgehend zu einer Strömung der Ansaugluft vom radialen Kaltluft-Turbineneintritt 41 zu den von den Hilfsschaufein 20 gebildeten, in Fig. 4 näher dargestellten Hilfsschaufelkanälen 46. Von dort strömt die Ansaugluft axial weiter über einen Luftaustritt 42 aus den Hilfsschaufelkanälen 46, im Weiteren mit Kaltluft- Turbinenaustritt 42 bezeichnet, direkt zum radialen Verdichterradaustritt 22.
Zusätzlich sind auf dem Konturring 17 zwischen den Hilfsschaufein 20 die Zusatzschaufeln 23 angeordnet. Ausschlaggebend für einen erfolgreichen Kaltluft- Turbinenbetrieb ist ein Druckgefälle zwischen einem Druck an dem Kaltluft-Turbinenradeintritt 41 und dem Kaltluft- Turbinenradaustritt 42. Dieses Druckgefälle kann durch eine Reduzierung des effektiven Querschnitts des Kaltluft- Turbinenradeintrittes 41 erhöht werden. Die Reduzierung kann zum einen durch die Form, die Dicke und die Anzahl der Hilfsschaufein 20 erfolgen. Zum anderen stellt die Anordnung der Zusatzschaufeln 23 zwischen den Hilfsschaufeln 20 eine weitere Möglichkeit der Reduzierung des effektiven Querschnitts des Kaltluft-Turbinenradeintrittes 41 dar.
Die Fig. 3b zeigt einen teilweisen Schnitt durch das Verdichterrad 16 des Verdichters 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit dem Konturring 17 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die in Fig. 3a geradlinig dargestellte äußere Mantelfläche 21 des Konturrings 17 weist in Fig. 3b eine nach innen gebogene, konkave Form auf. Ein Innendurchmesser DI des Konturrings 17 und ein Außendurchmesser DA des Konturrings 17 vergrößern sich von einem Scheitelpunkt S ausgehend kontinuierlich hin zu einem dem Verdichterradaustritt 22 des Verdichterrades 16 zugewandten Ende 25 des Konturrings 17 beziehungsweise zu einem dem Verdichterradaustritt 22 des Verdichterrades 16 abgewandten Ende 26 des Konturrings 17. Eine Bestimmung des Scheitelpunktes S wird in der Beschreibung der Fig. 4 näher erläutert. Das dem Verdichterradaustritt 22 des Verdichterrades 16 zugewandte Ende 25 des Konturrings 17 wird im Weiteren als erstes Ende 25 und das dem
Verdichterradaustritt 22 des Verdichterrades 16 abgewandte Ende 26 des Konturrings 17 wird im Weiteren als zweites Ende 26 bezeichnet. Die Schaufelhöhe H der Hilfsschaufein 20 reduziert sich an dem zweiten Ende 26 des Konturrings 17 auf Null. Diese Ausgestaltung des Konturrings 17 verhindert weitgehend eine Strömung der Ansaugluft über das zweite Ende 26 des Konturrings 17 hinaus in den axialen Radeintrittsbereich 36 und es ergibt sich eine Strömung der Ansaugluft über den Konturring 17 und den Kaltluft-Turbinenaustritt 42 direkt zum Verdichterradaustritt 22. Ein Teil der Strömung kann nach wie vor über den Konturring 17 in den axialen Radeintrittsbereich 36 erfolgen.
Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Verdichter 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2 mit einer Draufsicht auf das Verdichterrad 16 entsprechend Fig. 3a. Der Verdichter 5 weist die variable Verdichtergeometrie 9 auf. Die variable Verdichtergeometrie 9 liegt in Form der hülsenförmigen Trennwand 31 in Verbindung mit dem Stempel 33 und dem Leitgitter 34 vor, wobei die hülsenförmige Trennwand 31 vom Stempel 33 axial verschiebbar ist. Leitgitterschaufein 37 des Leitgitters 34 werden in einer Öffnung 35 der hülsenförmigen Trennwand 31 aufgenommen. Ein die Leitgitterschaufeln 37 tragender dickwandiger Ring 38 des Leitgitters 34 weist eine zur Auslegung der Hilfsschaufeln 20 benötigte charakteristischen Kante 39 auf. Diese charakteristische Kante 39 stellt eine Schnittkante einer den
Leitgitterschaufeln 37 zugewandten Fläche 43 des Rings 38 und einer dem Konturring 17 gegenüberliegenden Fläche 44 des Rings 38 dar. Der Ring 38 ist fest mit dem Verdichtergehäuse 30 verbunden .
Eine axiale Schaufelkontur 27 der Hilfsschaufeln 20 ist derart ausgebildet, dass ausgehend von dem ersten Ende 25 des Konturrings 17 bis zu dem Scheitelpunkt S ein erster Schaufelwinkel ß der Hilfsschaufeln 20 einem Schaufelwinkel α der Verdichterradschaufeln 18 entspricht.
Von dem Scheitelpunkt S ausgehend bis zum zweiten Ende 26 des Konturrings 17 weisen die Hilfsschaufeln 20 einen zweiten Schaufelwinkel γ auf, der von dem ersten Schaufelwinkel ß abweicht. Der zweite Schaufelwinkel γ liegt vorzugsweise zwischen 0 und 45°. Der zweite Schaufelwinkel γ ist so ausgerichtet, dass er bei Schaufelwinkeln, die größer als 0° sind, immer entgegen dem Schaufelwinkel α ausgerichtet ist, das heißt, der zweite Schaufelwinkel γ ist immer entgegen einer Drehrichtung des Verdichterrades 16 ausgerichtet.
Der Scheitelpunkt S ist so gewählt, dass er einen bestimmten axialen Abstand 40 zu der charakteristischen Kante 39 aufweist. Diese Gestaltung der axialen Schaufelkontur 27 verhindert weitestgehend Fehlanströmungen der Hilfsschaufeln 20. Die Größe des Abstandes 40 hängt von den Betriebspunkten des Verdichterbetriebes ab.
Die Hilfsschaufeln 20 sitzen nur durch den Konturring 17 getrennt auf den Verdichterradschaufeln 18 und gehen an dem ersten Ende 25 des Konturrings 17 in die
Verdichterradschaufeln 18 über. Das Verdichterrad 16 und der Konturring 17 mit den Hilfsschaufeln 20 können als einteiliges Bauteil oder als mehrteiliges Bauteil ausgeführt sein. Ebenso können das Verdichterrad 16 und der Konturring 17 mit den Hilfsschaufeln 20 und den Zusatzschaufeln 23 als einteiliges Bauteil oder als mehrteiliges Bauteil ausgeführt sein.
Durch den Übergang der Hilfsschaufeln 20 in die Verdichterradschaufeln 18 kann ein Strömungsabriss der Ansaugluft auf ihrem Weg vom radialen Radeintrittsbereich 19 über den Konturring 17 zum Verdichterradaustritt 22 vermieden werden. Ein Strömungsabriss hätte Wirkungsgrad mindernde Auswirkungen auf den in Fig. 1 dargestellten Abgasturbolader 2. Um weitere, Wirkungsgrad mindernde Strömungsstörungen zu vermeiden, ist jeder Verdichterradschaufel 18 eine Hilfsschaufel 20 zugeordnet.
Die zwischen den Hilfsschaufein 20 auf dem Konturring 17 angeordneten Zusatzschaufeln 23 weisen im Vergleich zu den Hilfsschaufein 20 eine kürzere axiale Erstreckung auf. Der radiale Radeintrittsbereich 19 kann durch eine entsprechende Verschiebung der hülsenförmigen Trennwand 31 mehr oder weniger geschlossen beziehungsweise geöffnet werden.
In den Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1, bei denen besonders kleine Massen durchgesetzt werden, wird der in Fig. 4 dargestellte radiale Radeintrittsbereich 19 über die variable Verdichtergeometrie 9 stark verkleinert. Dabei wird die hülsenförmige Trennwand 31 soweit in Richtung des Rings 38 geschoben, bis ein entsprechender Spalt zwischen der hülsenförmigen Trennwand 31 und dem Ring 38 hergestellt ist. Damit nun die Druck erhöhende Reduzierung des effektiven Querschnitts des Kaltluft-Turbinenradeintritts 41 in einem ausgewählten Betriebsbereich, der den Spalt zwischen der hülsenförmigen Trennwand 31 und dem Ring 38 bestimmt, erfolgreich ist, weisen die Zusatzschaufeln 23 eine im Vergleich zu den Hilfsschaufeln 20 verkürzte axiale Erstreckung auf. Die Zusatzschaufeln 23 erstrecken sich in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr vom Scheitelpunkt S der Hilfsschaufeln 20 bis zu dem ersten Ende 25 des Konturrings 17. Wird der radiale Radeintrittsbereich 19 bis zu dem zweiten Ende 26 des Konturringes 17 geöffnet, das heißt, wird die hülsenförmige Trennwand 31 soweit verschoben, dass der radiale Radeintrittsbereich 19 bis zu dem zweiten Ende 26 des Konturringes 17 geöffnet ist, erfolgt die Anströmung auf den Konturring 17 mit einer Radialkomponente. Die Ansaugluft strömt vollständig über den Konturring 17 mit den Hilfsschaufeln 20 weiter in den Verdichterradaustritt 22.
Eine weitere Verschiebung der hülsenförmigen Trennwand 31 beziehungsweise eine weitere Öffnung des radialen Radeintrittsbereichs 19 ergibt, neben der radialen Anströmung, eine axiale Anströmung des Verdichterrades 16. Dadurch strömt nur ein Teil der Ansaugluft über den Konturring 17 mit den Hilfsschaufeln 20 in den Verdichterradaustritt 22. Der andere Teil der Ansaugluft strömt herkömmlich unterhalb des Konturrings 17 auf das Verdichterrad 16 entlang der Verdichterradschaufeln 18 in den Verdichterradaustritt 22.
In der Fig. 5 ist zum besseren Verständnis eine dreidimensionale Darstellung des Verdichterrades 16 mit dem Hilfsschaufeln 20 aufweisenden Konturring 17 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel abgebildet. Die äußere Mantelfläche 21 des Konturrings 17 weist eine geradlinige Form auf. Auf dem Konturring 17 sind ausschließlich Hilfsschaufeln 20 angeordnet.
Der Konturring 17 mit den Hilfsschaufeln 20 lässt sich im Betrieb des Verdichters 5 auch zu einer Verschiebung einer Pumpgrenze einsetzen. Die Pumpgrenze erstreckt sich in einem Verdichterkennfeld von einem Bereich kleiner Massenströme bei kleinen Abgasturboladerdrehzahlen hin zu großen Massenströmen bei großen Abgasturboladerdrehzahlen. Sie trennt den Bereich des Verdichters 5 in dem der Verdichter 5 zuverlässig ansaugt und verdichtet, von dem Bereich des Verdichters 5, in dem der Verdichter nicht mehr zuverlässig wirksam arbeitet. Die Pumpgrenze des Verdichters 5 sollte im Betrieb nicht überschritten werden. Bei zu kleinen Luftmassenströmen löst sich die Strömung von den Verdichterradschaufeln 18 des Verdichters 5. Der Fördervorgang wird dadurch instabil. Die Luft strömt rückwärts durch den Verdichter 5, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich in schneller Folge. Dabei entsteht ein Geräusch, das sogenannte Pumpgeräusch.
Im Bereich des Verdichterbetriebes bei sehr geringen Massenströmen und/oder geringen Drehzahlen des in Fig. 1 dargestellten Abgasturboladers 2 nahe der Pumpgrenze, können die in Fig. 4 dargestellten Hilfsschaufein 20 wirksam als Turbulenzerzeuger eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine Verschiebung der Pumpgrenze hin zu niedrigeren Massenströmen.
Eine in Fig. 4 angedeutete Perforierung 50 des dem Verdichterradaustritt 22 abgewandten Ende des Konturringes 17 zwischen den Hilfsschaufeln 20 kann auch eine Verschiebung der Pumpgrenze hin zu niedrigeren Massenströmen bewirken. Durch die Verbindung des unterhalb des Konturrings 17 liegenden Bereichs mit dem oberhalb der Mantelfläche des Konturrings 17 liegenden Bereichs aufgrund der Perforation ergibt sich eine Zirkulation der sich dort befindenden Ansaugluft, die eine Verschiebung der Pumpgrenze erzeugen kann.
Selbst in aufgeladenen Betriebsbereichen mit großen Durchsätzen und/oder hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 ergeben sich durch den Konturring 17 Steigerungen des Verdichterwirkungsgrades, aufgrund seines die Strömungsrichtung beeinflussenden Effektes.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Turbinenrad einer Turbine, das über eine Welle mit einem Verdichterrad eines Verdichters drehfest verbunden ist, wobei der Verdichter eine variable Verdichtergeometrie mit einem Stempel und mit einer hülsenförmigen Trennwand aufweist, und die hülsenförmige Trennwand einen radial auf das Verdichterrad auftreffenden Zusatzkanal teilweise oder ganz öffnen oder schließen kann, und die Anströmung des Verdichterradschaufeln aufweisenden Verdichterrades axial über einen axialen Radeintrittsbereich und radial über einen radialen Radeintrittsbereich, in welchen der Zusatzkanal mündet, erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (16) einen Hilfsschaufein (20) aufweisenden Konturring (17) besitzt, der teilweise auf den Verdichterradschaufeln (18) des Verdichterrades (16) sitzt und mindestens einen Bereich des radialen und des axialen Radeintrittsbereich (19, 36) des Verdichterrades (16) abdeckt.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konturring (17) mit den Hilfsschaufein (20) als radial anströmbares Kaltluft-Turbinenradgitter ausgebildet ist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaufein (20) an einer äußeren Mantelfläche (21) des Konturrings (17) angebracht sind.
4. Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsschaufein (20) nur durch den Konturring (17) getrennt auf den Verdichterradschaufeln (18) sitzen und an einem einem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) zugewandten Ende (25) des Konturrings (17) in die Verdichterradschaufeln (18) übergehen .
5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale Schaufelkontur (27) der Hilfsschaufein (20) so gestaltet ist, dass ausgehend von einem einem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) zugewandten Ende (25) des Konturrings (17) bis zu einem bestimmten Scheitelpunkt (S) der axialen Schaufelkontur
(27) ein erster Schaufelwinkel (ß) der Hilfsschaufein (20) einem Schaufelwinkel (α) der Verdichterradschaufeln (18) des Verdichterrades (16) entspricht, und dass ausgehend von dem Scheitelpunkt (S) bis zu einem dem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) abgewandten Ende (26) des Konturrings (17) die Hilfsschaufein (20) einen von dem ersten Schaufelwinkel
(ß) abweichenden zweiten Schaufelwinkel (γ) aufweisen.
6. Abgasturbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schaufelwinkel (γ) zwischen 0° und 45° liegt.
7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt des Konturrings (17) die äußere Mantelfläche (21) des Konturringes (17) eine geradlinige Form oder eine gebogene, konkave Form oder eine teilweise geradlinige und eine teilweise gebogene Form aufweist.
8. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schaufelhöhe (H) der Hilfsschaufeln (20) in Abhängigkeit einer Vergrößerung eines Außendurchmessers (DA) oder eines Innendurchmessers (DI) und eines Außendurchmessers (DA) des Konturringes (17) von einem Scheitelpunkt (S) ausgehend in Richtung auf ein einem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) abgewandten Ende (26) des Konturrings (17) verringert.
9. Abgasturbolader nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schaufelhöhe (H) der Hilfsschaufeln (20) in Abhängigkeit der Vergrößerung des Außendurchmessers (DA) des Konturringes (17) von dem Scheitelpunkt (S) ausgehend in Richtung auf das dem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) abgewandten Ende (26) des Konturrings (17) auf Null reduziert.
10. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schaufelhöhe (H) der Hilfsschaufeln (20) in Abhängigkeit einer Vergrößerung eines Außendurchmessers (DA) oder eines Innendurchmessers (DI) und eines Außendurchmessers (DA) des Konturringes (17) von dem Scheitelpunkt (S) ausgehend in Richtung auf ein einem Verdichterradaustritt (22) des Verdichterrades (16) zugewandten Ende (25) des Konturrings (17) verringert.
11. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Konturring (17) zwischen den Hilfsschaufein (20) Zusatzschaufeln (23) aufweist.
12. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Hilfsschaufein (20) der Anzahl der Verdichterradschaufeln (18) entspricht.
PCT/EP2006/003560 2005-04-29 2006-04-19 Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine WO2006117073A1 (de)

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