DE102007023142A1

DE102007023142A1 - Strömungsverdichter für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Abgasturbolader mit einem solchen Strömungsverdichter

Info

Publication number: DE102007023142A1
Application number: DE102007023142A
Authority: DE
Inventors: Hermann Henning
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

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 Welle 3 sitzt. Im Fahrzeugbetrieb treibt die Abgasturbine in bekannter Weise über die gemeinsame Welle 3 den Radialverdichter 1 an, der über einen Lufteinlass 2 Verbrennungsluft ansaugt und diese im verdichteten Zustand einer nicht gezeigten, zur Brennkraftmaschine führenden Ladeluftleitung zuführt. DieVerdichterradgehäuse 7 und in ein Spiralgehäuse 9 aufgeteilt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Verdichterradgehäuse 7 und das Spiralgehäuse 9 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Das in dem Verdichterradgehäuse 7 angeordnete Verdichterrad 11 ist mit seiner Nabe 13 drehfest mit der gemeinsamen Welle 3 verbunden und trägt eine Vielzahl von Leitschaufeln 15. den Radialverdichter 1 antreibende Abgasturbine ist über eine Abgasleitung mit der Brennkraftmaschine verbunden. In der Ladeluftleitung zwischen dem Radialverdichter 1 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 Welle 3 ist durch eine Lageröffnung der Gehäuserückwand 17 des Verdichterradgehäuses 7 geführt. Die Nabe 13 ist dabei mit ihrer Rückseite über einen Radialspalt 19 gleichmäßig beabstandet. Axial gegenüberliegend sind die Vorderkanten 21 der Leitschaufeln 15 über einen Ringspalt 23 von einer Vorderwand 26 des Verdichterradgehäuses 7 beabstandet. Zwischen dem Verdichterradgehäuse 7 und der Nabe 13 des Verdichterrads 11 bilden die Leitschaufeln die Strömungskanäle 25, die den Lufteinlass 2 des Radialverdichters 1 strömungstechnisch mit einem radial äußeren Spiralkanal 27 des Spiralgehäuses 9 verbinden. Die Nabe 13 des Verdichterrads 11 hat in bekannter Weise eine sich in Richtung Lufteinlass 2 konisch verjüngende Konfiguration.
Wie aus der Figur hervorgeht, ist in einer, den Spiralkanal 27 umgebenden Begrenzungswand des Spiralgehäuses 9 ein Kühlkanal 29 vorgesehen, der im gezeigten Querschnitt den etwa torusförmigen Spiralkanal 27 C-förmig umschließt. Die Innenwandung des Kühlkanals 29 ist dabei im Wesentlichen von konstanter, geringer Wandstärke a, so dass ein guter, gleichmäßiger Wärmeübergang vom Kühlkanal 29 in den Spiralkanal 27 gewährleistet ist. Der spiralseitige Kühlkanal 29 erstreckt sich im Wesentlichen ringförmig um den Spiralkanal 27 und geht unmittelbar in einen weiteren Kühlkanal 31 im Verdichterradgehäuse 7 über. Der zweite Kühlkanal 31 im Verdichterradgehäuse 7 kühlt insbesondere die thermisch beanspruchten Vorderkanten 21 der Leitschaufeln 15.
Zusätzlich kann gemäß der gestrichelten Linie in der Rückwand 17 des Verdichterradgehäuses 7 ebenfalls ein vertikaler Kühlkanal 33 vorgesehen werden, der den Radialspalt 19 kühlt. Durch den vertikalen Kühlkanal 33 ist insbesondere ein Wärmeeintrag von der Abgasturbine in das Verdichtergehäuse 7 verhindert.
Gemäß der Figur geht der spiralseitige Kühlkanal 29 nahezu übergangslos in die verdichterradseitigen Kühlkanäle 31 und 33 über, wodurch insgesamt eine gleichmäßige sowie widerstandsarme Durchströmung der Kühlkanäle 29, 31 und 33 erreicht ist.
Im Betrieb des Abgasturboladers saugt das Verdichterrad 11 über den Lufteintritt Umgebungsluft an, die über den Strömungskanal 25 verdichtet wird und in den Spiralkanal 27 ausgestoßen wird. Ausgehend von dem Spiralkanal 27 des Radialverdichters 1 wird die komprimierte Luft über die Ladeluftleitung zur Brennkraftmaschine geleitet. Durch die im Verdichterradgehäuse 7 und im Spiralgehäuse 9 vorgesehenen Kühlkanäle 29, 31 und 33 wird einerseits die zu verdichtende Luft sowohl im Strömungskanal 25 als auch im Spiralkanal 27 des Radialverdichters 1 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

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.