DE102007023142A1 - Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem solchen Strömungsverdichter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem Strömungsverdichter (1), der ein Verdichterradgehäuse (7) aufweist, in dem ein Verdichterrad (11) angeordnet ist, das zusammen mit dem Verdichterradgehäuse (7) einen Strömungskanal (25) begrenzt, der in eine radial äußere Spirale (27) des Verdichters (1) mündet, die von einem Spiralgehäuse (9) umgeben ist. Erfindungsgemäß ist in einer die Spirale (27) umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses (9) ein Kühlkanal (29) vorgesehen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Bekanntermaßen werden Abgasturbolader mit Radialverdichter als Aufladesysteme für Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Durch die sehr hohen Verdichterdrehzahlen wird die angesaugte Luft nicht nur verdichtet. Durch Luftverwirbelungen am Verdichterrad und besonders in den Spalten zwischen Verdichterrad und Verdichtergehäuse wird die Luft auch erwärmt.
- Aus der
US 2,384,251 ist ein gattungsgemäßer Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine bekannt. Der Strömungsverdichter ist Teil eines Abgasturboladers, in dessen Verdichterradgehäuse ein Verdichterrad angeordnet ist, das zusammen mit dem Verdichterradgehäuse einen Strömungskanal begrenzt. Der Strömungskanal mündet in einen radial äußeren, ringförmigen Diffusorraum. Sowohl die Begrenzungswände des Diffusorraums als auch die dem Verdichterrad gegenüberliegenden Begrenzungswände sind mit Kühlkanälen versehen, die Kühlwasser aus einem Niedertemperaturkühlkreislauf führen. - Bei sehr hohen Verdichterdrehzahlen wird die zu verdichtende Luft durch Reibung am Verdichterrad und insbesondere in den Spalten zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse deutlich wärmer als bei einer adiabaten Verdichtung. Das heißt, dass der Luft im Strömungsverdichter nachteilig Wärme zugeführt wird, wodurch mehr Antriebsleistung erforderlich ist.
- Aus der
DE 198 45 375 A1 ist ein weiterer Abgasturbolader mit einem Radialverdichter und einer Abgasturbine bekannt. Zwischen dem Verdichterrad und den gegenüberliegenden Begrenzungswänden des Verdichterradgehäuses sind Radialspalte gebildet, die über einen mit Kühlfluid beaufschlagten Kühlkanal in einer der Begrenzungswände gekühlt wird. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin einen Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem auch bei sehr hohen Verdichterdrehzahlen die Ansaugluft im Wesentlichen adiabat verdichtet werden kann.
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
- Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist in einer, einen Verdichter-Spiralkanal umgebenden Begrenzungswand eines Spiralgehäuses ein Kühlkanal vorgesehen, der von einem Kühlfluid, etwa Kühlwasser aus einem Niedertemperaturkühlkreislauf, durchströmt ist. Mittels des spiralseitigen Kühlkanals kann die, den Verdichter-Spiralkanal durchströmende komprimierte Luft intensiv gekühlt werden, wodurch die Ladeluft den Verdichter mit geringerer Temperatur verlässt und entsprechend kleiner dimensionierte nachgeschaltete Ladeluftkühler anwendbar sind. Darüber hinaus ist die Verdichterantriebsleistung für gleichen Ladedruck reduziert, so dass sich ein besserer Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine ergibt.
- Für eine intensive Kühlung der den Verdichter-Spiralkanal durchströmten komprimierten Luft ist es von Vorteil, wenn der spiralgehäuseseitige Kühlkanal den Spiralkanal C-förmig umschließt. Für einen günstigen sowie in Umfangsrichtung gleichmäßig guten Wärmeübergang kann die den Spiralkanal zugewandte Innenwandung des Kühlkanals im Wesentlichen eine geringe, konstante Wandstärke aufweisen. Die Innenwandung des Kühlkanals kann darüber hinaus aus einem besonders leitfähigen Material gefertigt sein.
- Zur weiteren Steigerung der Kühlung kann zumindest ein weiterer Kühlkanal in den, das Verdichterrad axial begrenzenden Wänden des Verdichterradgehäuses vorgesehen sein. Dadurch reduziert sich die thermische Belastung des Verdichterrads, so dass kostengünstigere Werkstoffe für das Verdichterrad und das Verdichterradgehäuse verwendet werden können.
- Für den Fall, dass sowohl im Spiralgehäuse als auch im Verdichterradgehäuse jeweils ein Kühlkanal vorgesehen ist, können diese – strömungstechnisch bevorzugt – unmittelbar miteinander verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es aus strömungstechnischer Sicht, wenn der verdichterradseitige Kühlkanal ohne besonderen Übergangsbereich einstückig an den spiralseitigen Kühlkanal anschließt. In diesem Zusammenhang ist es fertigungstechnisch bevorzugt, wenn das Verdichterradgehäuse und das Spiralgehäuse im Wesentlichen materialeinheitlich und einstückig ausgebildet sind.
- Eine besonders wirkungsvolle Kühlung der zu verdichtenden Luft wird erreicht, wenn im Verdichterradgehäuse sowohl in dessen Vorderwand als auch in dessen Rückwand ein Kühlkanal vorgesehen ist. Die beiden Kühlkanäle des Verdichterradgehäuses können dabei strömungstechnisch günstig über den spiralseitigen Kühlkanal miteinander strömungstechnisch in Verbindung sein.
- Für eine gleichmäßige Durchströmung kann der Kühlkanal im Querschnitt im Wesentlichen von konstanter Breite sein. Der spiralseitige Kühlkanal und/oder der zumindest eine verdichterradseitige Kühlkanal können sich dabei bevorzugt ringförmig geschlossen um die Längsachse des Strömungsverdichters erstrecken.
- Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figur beschrieben, in der ein Radialverdichter eines Abgasturboladers in einer Halbschnittansicht teilweise dargestellt ist. Die in der Figur nicht dargestellte untere Hälfte des Abgasturboladers ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur oberen Hälfte ausgeführt.
- Der in der Figur gezeigte Abgasturbolader wirkt mit einer Brennkraftmaschine zusammen und besteht aus einem Radialverdichter
1 , der zusammen mit einer nicht gezeigten Abgasturbine des Turboladers drehfest auf einer gemeinsamen Welle3 sitzt. Im Fahrzeugbetrieb treibt die Abgasturbine in bekannter Weise über die gemeinsame Welle3 den Radialverdichter1 an, der über einen Lufteinlass2 Verbrennungsluft ansaugt und diese im verdichteten Zustand einer nicht gezeigten, zur Brennkraftmaschine führenden Ladeluftleitung zuführt. DieVerdichterradgehäuse7 und in ein Spiralgehäuse9 aufgeteilt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Verdichterradgehäuse7 und das Spiralgehäuse9 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Das in dem Verdichterradgehäuse7 angeordnete Verdichterrad11 ist mit seiner Nabe13 drehfest mit der gemeinsamen Welle3 verbunden und trägt eine Vielzahl von Leitschaufeln15 . den Radialverdichter1 antreibende Abgasturbine ist über eine Abgasleitung mit der Brennkraftmaschine verbunden. In der Ladeluftleitung zwischen dem Radialverdichter1 und der Brennkraftmaschine ist üblicherweise ein Ladeluftkühler angeordnet, der in einem Niedertemperaturkühlkreislauf geschaltet ist. - Das Verdichtergehäuse des Radialverdichters
1 ist in ein - Die das Verdichterrad
11 tragende Welle3 ist durch eine Lageröffnung der Gehäuserückwand17 des Verdichterradgehäuses7 geführt. Die Nabe13 ist dabei mit ihrer Rückseite über einen Radialspalt19 gleichmäßig beabstandet. Axial gegenüberliegend sind die Vorderkanten21 der Leitschaufeln15 über einen Ringspalt23 von einer Vorderwand26 des Verdichterradgehäuses7 beabstandet. Zwischen dem Verdichterradgehäuse7 und der Nabe13 des Verdichterrads11 bilden die Leitschaufeln die Strömungskanäle25 , die den Lufteinlass2 des Radialverdichters1 strömungstechnisch mit einem radial äußeren Spiralkanal27 des Spiralgehäuses9 verbinden. Die Nabe13 des Verdichterrads11 hat in bekannter Weise eine sich in Richtung Lufteinlass2 konisch verjüngende Konfiguration. - Wie aus der Figur hervorgeht, ist in einer, den Spiralkanal
27 umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses9 ein Kühlkanal29 vorgesehen, der im gezeigten Querschnitt den etwa torusförmigen Spiralkanal27 C-förmig umschließt. Die Innenwandung des Kühlkanals29 ist dabei im Wesentlichen von konstanter, geringer Wandstärke a, so dass ein guter, gleichmäßiger Wärmeübergang vom Kühlkanal29 in den Spiralkanal27 gewährleistet ist. Der spiralseitige Kühlkanal29 erstreckt sich im Wesentlichen ringförmig um den Spiralkanal27 und geht unmittelbar in einen weiteren Kühlkanal31 im Verdichterradgehäuse7 über. Der zweite Kühlkanal31 im Verdichterradgehäuse7 kühlt insbesondere die thermisch beanspruchten Vorderkanten21 der Leitschaufeln15 . - Zusätzlich kann gemäß der gestrichelten Linie in der Rückwand
17 des Verdichterradgehäuses7 ebenfalls ein vertikaler Kühlkanal33 vorgesehen werden, der den Radialspalt19 kühlt. Durch den vertikalen Kühlkanal33 ist insbesondere ein Wärmeeintrag von der Abgasturbine in das Verdichtergehäuse7 verhindert. - Gemäß der Figur geht der spiralseitige Kühlkanal
29 nahezu übergangslos in die verdichterradseitigen Kühlkanäle31 und33 über, wodurch insgesamt eine gleichmäßige sowie widerstandsarme Durchströmung der Kühlkanäle29 ,31 und33 erreicht ist. - Im Betrieb des Abgasturboladers saugt das Verdichterrad
11 über den Lufteintritt Umgebungsluft an, die über den Strömungskanal25 verdichtet wird und in den Spiralkanal27 ausgestoßen wird. Ausgehend von dem Spiralkanal27 des Radialverdichters1 wird die komprimierte Luft über die Ladeluftleitung zur Brennkraftmaschine geleitet. Durch die im Verdichterradgehäuse7 und im Spiralgehäuse9 vorgesehenen Kühlkanäle29 ,31 und33 wird einerseits die zu verdichtende Luft sowohl im Strömungskanal25 als auch im Spiralkanal27 des Radialverdichters1 effektiv gekühlt. Andererseits wird indirekt über die kühlere Luft auch das Verdichterrad gekühlt und dadurch technisch entlastet. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 2384251 [0003]
- - DE 19845375 A1 [0005]
Claims (9)
- Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem Strömungsverdichter (
1 ), der ein Verdichterradgehäuse (7 ) aufweist, in dem ein Verdichterrad (11 ) angeordnet ist, das zusammen mit dem Verdichterradgehäuse (7 ) einen Strömungskanal (25 ) begrenzt, der in eine radial äußere Spirale (27 ) des Verdichters (1 ) mündet, die von einem Spiralgehäuse (9 ) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Spirale (27 ) umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses (9 ) ein Kühlkanal (29 ) vorgesehen ist. - Strömungsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralseitige Kühlkanal (
29 ) im Querschnitt die Spirale (27 ) C-förmig umschließt. - Strömungsverdichter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spirale (
27 ) zugewandte innere Begrenzungswand des Kühlkanals (29 ) im Wesentlichen eine konstante Wandstärke (a) aufweist. - Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer, das Verdichterrad (
11 ) axial begrenzenden Wand (17 ) des Verdichterradgehäuses (7 ) ein weiterer Kühlkanal (31 ,33 ) vorgesehen ist. - Strömungsverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der spiralseitige Kühlkanal (
29 ) und der zumindest eine verdichterradseitige Kühlkanal (31 ,33 ) strömungstechnisch miteinander verbunden sind. - Strömungsverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der dem Verdichterrad (
11 ) zugewandten Vorderwand als auch der Rückwand (17 ) des Verdichterradgehäuses (7 ) ein Kühlkanal (31 ,33 ) zugeordnet ist und dass vorzugsweise der Vorderwand-Kühlkanal (31 ) über den spiralseitigen Kühlkanal (29 ) mit dem Rückwand-Kühlkanal (33 ) strömungstechnisch verbunden ist. - Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterradgehäuse (
7 ) und das Spiralgehäuse (9 ) materialeinheitlich und einstückig sind. - Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (
29 ,31 ,33 ) einen im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. - Strömungsverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der spiralseitige Kühlkanal (
29 ) ringförmig um die Spirale (27 ) erstreckt.
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DE102007023142A1 true DE102007023142A1 (de) | 2008-11-20 |
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DE102007023142A Ceased DE102007023142A1 (de) | 2007-05-16 | 2007-05-16 | Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem solchen Strömungsverdichter |
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