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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein
gattungsgemäßer Abgasturbolader
ist in der Druckschrift
DE
100 49 198 A1 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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader nach
Anspruch 1 weist einen Konturring mit Hilfsschaufeln 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 Hilfsschaufeln 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.
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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.
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In
einer Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind die Hilfsschaufeln in vorteilhafter
Weise auf einer äußeren Mantelfläche des
Konturrings angebracht.
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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.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist eine axiale Schaufelkontur
der Hilfsschaufeln 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 Hilfsschaufeln
einen von dem ersten Schaufelwinkel abweichenden zweiten Schaufelwinkel
aufweisen. Durch die Änderung
des Schaufelwinkels der Hilfsschaufeln von einem ersten Schaufelwinkel
in einen zweiten Schaufelwinkel entsteht eine hakenförmige Schaufelkontur
der Hilfsschaufeln, 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 Hilfsschaufeln
zu vermeiden liegt der Scheitelpunkt der Schaufelwinkeländerung
mit einer geringen axialen Abweichung auf der Höhe einer charakteristischen
Kante eines Leitgitters einer variablen Verdichtergeometrie.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 6 liegt der zweite Schaufelwinkel
vorzugsweise zwischen 0° und
45°.
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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.
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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 Hilfsschaufeln ebenfalls
kontinuierlich entsprechend der Vergrößerung des Außendurchmessers
des Konturringes. Diese Form des Konturrings verhindert ebenfalls,
wie die hakenförmige
Schaufelkontur der Hilfsschaufeln, eine Strömung der Ansaugluft über das
dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades abgewandten Ende des
Konturringes hinaus in den axialen Radeintrittsbereich des Verdichterrades.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 9 reduziert sich die
Schaufelhöhe
der Hilfsschaufeln an dem dem Verdichterradaustritt des Verdichterrades
abgewandten Ende des Konturringes vorzugsweise auf Null.
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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 Hilfsschaufeln
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.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 11 sind zwischen den
Hilfsschaufeln 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.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 12 entspricht eine Anzahl
der Hilfsschaufeln vorzugsweise der Anzahl der Verdichterradschaufeln.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung
und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader,
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2 einen
Schnitt durch einen Verdichter mit variabler Verdichtergeometrie
des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
in Betriebsweise des Verdichters als Kaltluft-Turbine,
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3a einen
teilweisen Schnitt durch ein Verdichterrad des Verdichters des erfindungsgemäßen Abgasturboladers,
mit einem Konturring entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel,
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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,
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4 einen
Schnitt durch den Verdichter des Abgasturboladers mit einer Draufsicht
auf das Verdichterrad nach 3a und
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5 eine
dreidimensionale Darstellung des Verdichterrades des Abgasturboladers,
mit dem Konturring entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel.
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In
den folgenden Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
in 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.
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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.
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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.
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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.
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Die 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 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.
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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.
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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.
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Mit
zunehmender Last- und/oder Drehzahl wird der in 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.
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In
der 3a ist ein teilweiser Schnitt durch das Verdichterrad 16 des
Verdichters 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
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.
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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.
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In
bestimmten Betriebsbereichen der in 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 2 dargestellten
axialen Radeintrittsbereich 36 strömt und der andere Teil der
Ansaugluft in den Verdichterradaustritt 22 strömt.
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Der
in 3a dargestellte, mit Hilfsschaufeln 20 versehene
Konturring 17 führt
weitestgehend zu einer Strömung
der Ansaugluft vom radialen Kaltluft-Turbineneintritt 41 zu
den von den Hilfsschaufeln 20 gebildeten, in 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.
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Zusätzlich sind
auf dem Konturring 17 zwischen den Hilfsschaufeln 20 die
Zusatzschaufeln 23 angeordnet.
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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 Hilfsschaufeln 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.
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Die 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 3a geradlinig dargestellte äußere Mantelfläche 21 des
Konturrings 17 weist in 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 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.
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Die
Schaufelhöhe
H der Hilfsschaufeln 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.
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Die 4 zeigt
einen Schnitt durch den Verdichter 5 des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2 mit
einer Draufsicht auf das Verdichterrad 16 entsprechend 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. Leitgitterschaufeln 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.
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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 β der Hilfsschaufeln 20 einem
Schaufelwinkel α der
Verdichterradschaufeln 18 entspricht.
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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 β 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.
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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.
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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.
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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 1 dargestellten
Abgasturbolader 2. Um weitere, Wirkungsgrad mindernde Strömungsstörungen zu
vermeiden, ist jeder Verdichterradschaufel 18 eine Hilfsschaufel 20 zugeordnet.
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Die
zwischen den Hilfsschaufeln 20 auf dem Konturring 17 angeordneten
Zusatzschaufeln 23 weisen im Vergleich zu den Hilfsschaufeln 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.
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In
den Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1, bei denen
besonders kleine Massen durchgesetzt werden, wird der in 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.
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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.
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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.
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In
der 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.
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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.
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Im
Bereich des Verdichterbetriebes bei sehr geringen Massenströmen und/oder
geringen Drehzahlen des in 1 dargestellten
Abgasturboladers 2 nahe der Pumpgrenze, können die
in 4 dargestellten Hilfsschaufeln 20 wirksam
als Turbulenzerzeuger eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine Verschiebung
der Pumpgrenze hin zu niedrigeren Massenströmen.
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Eine
in 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.
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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.