DE102011019006B3

DE102011019006B3 - Strömungsverdichter, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102011019006B3
Application number: DE102011019006A
Authority: DE
Inventors: Christian Grothe
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2031-04-30
Also published as: EP2603702A1; JP2014512485A; CN103154525A; WO2012146344A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strömungsverdichter, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors — mit einem Verdichtergehäuse; — mit einem Verdichterlaufrad, das drehbar im Verdichtergehäuse gelagert ist; — mit einem Einströmkanal für das zu verdichtende Medium, der sich in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums von einem Verdichtereinlass bis zu dem Verdichterlaufrad erstreckt; — mit einem Rezirkulationskanal für das zu verdichtende Medium, der im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes vom Einströmkanal abzweigt und im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal mündet; — mit einem Schallabschirmring, der im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal und/oder im Rezirkulationskanal eingesetzt ist, um Schallwellen des über den Rezirkulationskanal rückströmenden zu verdichtenden Mediums abzuschirmen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring mittels einer Schnappverbindung formschlüssig im Verdichtergehäuse eingesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungsverdichter, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, im Einzelnen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Strömungsverdichter der gattungsgemäßen Art werden beispielsweise mittels einer Abgasturbine angetrieben, wobei der Strömungsverdichter und die Abgasturbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein können, um einen Turbolader auszubilden. Jedoch kommt auch ein mechanischer Antrieb des Strömungsverdichters, beispielsweise mittels der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors, der mit dem Strömungsverdichter aufgeladen werden soll, in Betracht. Schließlich ist die vorliegende Erfindung auch bei Strömungsverdichtern außerhalb der Aufladung von Verbrennungsmotoren anwendbar.
Zur Kennfeldspreizung des Verdichterkennfeldes ist es bekannt, im Gehäuse des Verdichters am verdichterlaufradseitigen Ende des Einströmkanals für das zu verdichtende Medium, insbesondere Luft, sogenannte Rezirkulationsschlitze einzubringen, über welche ein Teil des zu verdichtenden Mediums, das bereits von einem Verdichtereinlass durch den Einströmkanal in die Nähe des Verdichterlaufrades geströmt ist, außerhalb des Einströmkanals in Richtung des verdichtereinlassseitigen Endes des Einströmkanals strömt und sich dort mit nachfolgendem in den Einströmkanal einströmenden Medium vermischt. Hierzu sind die Rezirkulationsschlitze über einen außerhalb des Einströmkanals verlaufenden Kanal oder einer Vielzahl solcher Kanäle mit einer oder mehreren Mündungen verbunden, die unmittelbar in dem Verdichtereinlass in den Einströmkanal münden oder in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums hinter dem Verdichtereinlass jedoch mit ausreichendem Abstand zu den Rezirkulationsschlitzen. Die Abfolge aus Rezirkulationsschlitzen, dem Kanal außerhalb des Einströmkanals zur Rückführung des zu verdichtenden Mediums und die Mündung beziehungsweise Mündungen wird auch als Rezirkulationskanal bezeichnet.
Aufgrund der gegenüber der Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums im Einströmkanal entgegengesetzten Strömungsrichtung des Mediums im Rezirkulationskanal besteht die Gefahr einer unerwünschten Schallausbreitung aus der Einlassseite des Verdichters hinaus. Eine bekannte Maßnahme sieht daher vor, im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal beziehungsweise im Rezirkulationskanal einen Schallabschirmring einzusetzen, welcher die Ausbreitung von Schallwellen aus dem Verdichtereinlass hinaus unterbinden oder dämpfen soll. Ein solcher Schallabschirmring wird herkömmlich in den Einströmkanal am Verdichtereinlass eingesetzt und mittels eines angeschraubten Flansches gegen Herausfallen gesichert. Nachteilig ist, dass die Nachrüstung von bestehenden Strömungsverdichtern mit einem solchen Schallabschirmring nicht oder nur durch Nachbearbeitung oder Austausch von Bauteilen des Gehäuses und/oder des Flansches möglich ist, was zu unerwünschten Kosten führt. Ferner müssen die Gestaltung eines solchen Schallabschirmrings und die Gestaltung der aufnehmenden Bauteile des Verdichtergehäuses beziehungsweise des Flansches für den Einzelfall aneinander angepasst werden.
In der 1 ist ein Axialschnitt durch einen Stromungsverdichter mit einem Schallabschirmring 10, der zwischen dem Verdichtergehäuse 1 und einem Anschlussflansch 2 eingeklemmt ist, gezeigt.
Zum druckschriftlichen Stand der Technik wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:
DE 198 23 274 C1
DE 42 12 653 B4
US 7 624 575 B2
WO 2006/090152 A1
EP 0 913 585 A1
WO 2011/044344 A2
US 5 333 990 A
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsverdichter mit einem Schallabschirmring der genannten Art anzugeben, bei welchem die Montage des Schallabschirmrings besonders kostengünstig, sicher und vorteilhaft nachträglich möglich ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Strömungsverdichter mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Eine alternative erfindungsgemäße Ausgestaltung wird im Anspruch 9 beschrieben. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Der erfindungsgemäße Strömungsverdichter, der insbesondere als Strömungsverdichter zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, beispielsweise angetrieben über eine Abgasturbine oder mechanisch angetrieben über den Verbrennungsmotor selbst, ausgeführt ist, weist ein Gehäuse und ein im Gehäuse drehbar gelagertes Verdichterlaufrad auf. Ferner ist ein Einströmkanal für das zu verdichtende Medium, in der Regel Luft, vorgesehen, der sich in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums von einem Verdichtereinlass bis zu dem Verdichterlaufrad erstreckt.
Erfindungsgemäß ist ein Rezirkulationskanal für das zu verdichtende Medium vorgesehen. Der Rezirkulationskanal zweigt, wie eingangs beschrieben, im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes vom Einströmkanal ab und mündet im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal, wobei hierunter sowohl eine Mündung im Verdichtereinlass als auch hinter dem Verdichtereinlass im Einströmkanal zu verstehen ist.
Ferner ist ein Schallabschirmring vorgesehen, der im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal und/oder im Rezirkulationskanal eingesetzt ist, um Schallwellen des über den Rezirkulationskanal rückströmenden zu verdichtenden Mediums abzuschirmen. Der Schallabschirmring kann beispielsweise in den Einströmkanal und/oder Rezirkulationskanal, ausgehend von dem Verdichtereinlass eingeschoben sein.
Erfindungsgemäß ist nun der Schallabschirmring mittels einer Schnappverbindung formschlüssig im Gehäuse des Verdichters eingesetzt. Eine solche Schnappverbindung wird durch die Elastizität des Schallabschirmrings und/oder des diesem zugeordneten Bereichs des Gehäuses erreicht, wobei beim Einsetzen des Schallabschirmrings eines der beiden Fügeteile oder beide Fügeteile (Schallabschirmring und zugeordneter Bereich des Gehäuses) elastisch verformt/verformen, sodass sich eine formschlüssige hinterschneidende lösbare oder unlösbare Verbindung ergibt. Die Hinterschneidung bewirkt, dass der Schallabschirmring formschlüssig gegen Herausdrücken durch das im Rezirkulationskanal rückströmende Medium oder durch das im Einströmkanal strömende Medium oder Vibrationen und dergleichen sicher verhindert wird.
Erfindungsgemäß sind eine Vielzahl von Rastvorsprüngen auf dem Schallabschirmring vorgesehen, die in entsprechende Hinterschneidungen des Gehäuses oder eine umlaufende beziehungsweise über einen Teilbereich des Umfangs umlaufende Hinterschneidung des Gehäuses eingreifen. Selbstverständlich ist es auch möglich, zusätzlich einen solchen Rastvorsprung oder mehrere Rastvorsprünge im Gehäuse selbst vorzusehen.
Der oder die Rastvorsprünge werden in der Regel auf einem elastisch nachgiebigen Bereich des Schallabschirmrings und/oder des Gehäuses positioniert und können zusätzlich oder alternativ selbst ebenfalls aus elastischem Material hergestellt sein.
Besonders günstig ist es, wenn die Hinterschneidungen im Gehäuse durch einen oder mehrere zumindest teilweise in Radialrichtung verlaufende Schlitze gebildet werden, welche die Abzweigung des Rezirkulationskanals im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes des Einströmkanals bilden. Solche Schlitze werden auch als Rezirkulationsschlitze bezeichnet.
Der Schallabschirmring weist gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eine Vielzahl von an einem über dem Umfang umlaufenden ringförmigen Grundkörper angeschlossenen Zungen auf, welche mit den Rastvorsprüngen, insbesondere an ihrem dem Grundkörper abgewandten freien Ende, versehen sind. Die Zungen können demnach zur Herstellung der gewünschten Elastizität radial nach außen und/oder innen elastisch verformbar sein, um somit zu ermöglichen, dass beim Einschieben des Schallabschirmrings die Rastvorsprünge über den die Hinterschneidung begrenzenden Bereich des Gehäuses hinweg rutschen.
Die Zungen können beispielsweise vom verdichtereinlassseitigen Ende in Richtung des Verdichterlaufrades in den Rezirkulationskanal hineinragen und die Rastvorsprünge an ihrem freien, dem Verdichterlaufrad zugewandten Ende tragen.
Um eine wirkungsvolle Schallabschirmung zu erreichen, kann der Schallabschirmring im Bereich des Verdichtereinlasses radial von außen in den Einströmkanal hineinragen, insbesondere mit seinem ringförmigen Grundkörper, welcher die hervorstehenden, insbesondere in Radialrichtung elastisch nachgiebigen Zungen trägt.
Eine erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass sich sowohl der Einströmkanal als auch der Rezirkulationskanal in Richtung der Drehachse des Verdichterlaufrades erstrecken, um einen Axial-Axial-Verdichter oder einen Axial-Radial-Verdichter auszubilden. Die Erstreckung des Rezirkulationskanals ist zumindest insoweit in Axialrichtung geführt, wie die Rückführung des rezirkulierten Mediums in Richtung zum Verdichtereinlass erfolgt.
Der Schallabschirmring kann insbesondere einteilig ausgeführt sein, vorteilhaft einteilig urgeformt.
Günstig ist es, wenn der Schallabschirmring aus Kunststoff oder aus Blech oder Stahl, zumindest teilweise oder vollständig aus Federstahl hergestellt ist, letzteres, um die gewünschte Elastizität zu erreichen.
Der Schallabschirmring kann Durchbrüche, insbesondere in seinem sich in Längsrichtung des Einlasskanals erstreckenden Bereich aufweisen, um den Strömungsquerschnitt für das rückgeführte Medium zu vergrößern. Dies gilt besonders bei einem über den Umfang geschlossenen Bereich beispielsweise anstelle einzelner Zungen.
Gemäß einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Schallabschirmring in das Verdichtergehäuse eingegossen. Dies kann durch einen vor dem beziehungsweise beim Gießen des Verdichtergehäuses in die Gussform eingelegten Einsatz (Inlay) erfolgen oder der Schallabschirmring kann durch die Vergussmasse selbst hergestellt werden, das heißt Verdichtergehäuse und Schallabschirmring sind aus demselben Werkstoff hergestellt. Bei Verwendung eines Einsatzes kann dieser beispielsweise wiederum aus Kunststoff hergestellt sein. Andere Werkstoffe kommen jedoch auch in Betracht. Bezüglich der Erstreckung des Schallabschirmrings im Strömungsverdichter gilt das zuvor zu der Ausführungsform mit Schnappverbindung Gesagte.
Anstelle des Angießens oder Eingießens eines Einsatzes an das Verdichtergehäuse beziehungsweise in das Verdichtergehäuse kann auch das Angießen eines Einsatzes an einen am Verdichtergehäuse angeschlossenen, insbesondere angeschraubten Flansch, insbesondere Anschlussflansch für die zu verdichtende Luft, beziehungsweise Eingießen in diesen vorgesehen sein, um den Schallabschirmring herzustellen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch beschrieben werden.
2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem mittels einer Schnappverbindung formschlüssig in das Verdichtergehäuse eingesetzten Schallabschirmring;
3 einen am Verdichtergehäuse angegossenen Schallabschirmring;
4 einen in das Verdichtergehäuse als Einsatz eingegossenen Schallabschirmring.
In der 2 ist in einem Axialschnitt durch das Verdichtergehäuse 1 das Verdichterlaufrad 3, das auf der Verdichterwelle 4 umläuft, dargestellt. Im Bereich des Verdichtereinlasses 5 ist ein Anschlussflansch 2 am Verdichtergehäuse 1 angeschlossen, um eine Luftleitung für die zu verdichtende Luft als Verdichtermedium (nicht dargestellt) am Verdichtergehäuse 1 anzuschließen.
Die das Verdichtermedium (Luft) führenden Bereiche sind schwarz dargestellt, siehe den saugseitigen Strömungsführungsbereich 6 und den druckseitigen Strömungsführungsbereich 7.
Der saugseitige Strömungsführungsbereich 6 umfasst den Einströmkanal 8, der sich vom Verdichtereinlass 5 bis zu dem Verdichterlaufrad 3 erstreckt, sowie den Rezirkulationskanal 9, der sich außerhalb, hier radial außerhalb, des Einströmkanals 8 vom verdichterlaufradseitigen Ende zum verdichtereinlassseitigen Ende des Einströmkanals 8 erstreckt. Zum Anschluss des Rezirkulationskanals 9 am Einströmkanal 8 sind im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes des Einströmkanals 8 Rezirkulationsschlitze 11 im Verdichtergehäuse 1 vorgesehen, über welche das zu verdichtende Medium aus dem Einströmkanal 8 in den Rezirkulationskanal 9 strömt. Am verdichtereinlassseitigen Ende des Einströmkanals 8 beziehungsweise im Bereich desselben sind Mündungen 12 vorgesehen, über welche das zu verdichtende Medium aus dem Rezirkulationskanal 9 in den Einströmkanal 8 strömt. Die Mündungen 12 erstrecken sich vorliegend zumindest teilweise in Radialrichtung des Verdichterlaufrades 3 beziehungsweise des Einströmkanals 8.
Im Bereich des Verdichtereinlasses 5 ist erfindungsgemäß ein Schallabschirmring 10 vorgesehen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ringförmigen Grundkörper 13 mit einteilig daran angeschlossenen, sich in Axialrichtung des Verdichters (in Richtung der Verdichterwelle 4) erstreckende Zungen 14 aufweist. Dieser Schallabschirmring 10 ist in der 2a nochmals in einem Axialschnitt und in der 2b in einer Draufsicht in Axialrichtung dargestellt. Besonders hier wird deutlich, dass die Zungen 14 an ihrem freien axialen Ende Rastvorsprünge 15 tragen, welche dazu bestimmt sind, in den Rezirkulationsschlitzen 11 des Verdichtergehäuses 1 einzurasten. Vorliegend weist der Schallabschirmring 10 einen über dem Umfang geschlossenen ringförmigen Grundkörper 13 mit drei daran angeschlossenen Zungen 14 auf. Selbstverständlich könnte die Anzahl der Zungen 14 verändert werden oder auch eine über dem gesamten Umfang umlaufende Zunge 14 vorgesehen sein. Eine solche sollte Durchbrüche für das Verdichtermedium aufweisen.
Das Vorsehen von Rastvorsprüngen 15, die in die Rezirkulationsschlitze 11 eingreifen, und die somit radial nach innen aus den Zungen 14 hervorstehen, ist günstig, da die Rezirkulationsschlitze 11 zum Abzweigen des rezirkulierenden Mediums üblicherweise vorgesehen sind, wenn ein Schallabschirmring 10 erforderlich ist. Somit können zur Befestigung des Schallabschirmrings 10 besondere Modifikationen am Verdichtergehäuse 1 eingespart werden und eine Nachrüstung eines bestehenden Verdichters mit einem erfindungsgemäßen Schallabschirmring 10 ist leicht möglich, insbesondere ohne Nachbearbeitung des Verdichtergehäuses 1.
Die 3 zeigt eine alternative Gestaltung der Erfindung, bei welcher der Schallabschirmring 10 am Verdichtergehäuse 1 angegossen ist. Anstelle des Angießens unmittelbar an dem Verdichtergehäuse 1 könnte alternativ auch ein Angießen an den Anschlussflansch 2 vorgesehen sein.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform mit einem Schallabschirmring 10, der in Form eines Einsatzes in das Verdichtergehäuse 1 eingegossen ist. Auch hier käme ein Eingießen des Einsatzes in den Anschlussflansch 2 alternativ in Betracht.
Bezugszeichenliste

1: Verdichtergehäuse
2: Anschlussflansch
3: Verdichterlaufrad
4: Verdichterwelle
5: Verdichtereinlass
6: saugseitiger Strömungsführungsbereich
7: druckseitiger Strömungsführungsbereich
8: Einströmkanal
9: Rezirkulationskanal
10: Schallabschirmring
11: Rezirkulationsschlitze
12: Mündungen
13: Grundkörper
14: Zungen
15: Rastvorsprung

Claims

Strömungsverdichter, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, 1.1 mit einem Verdichtergehäuse (1); 1.2 mit einem Verdichterlaufrad (3), das drehbar im Verdichtergehäuse (1) gelagert ist; 1.3 mit einem Einströmkanal (8) für das zu verdichtende Medium, der sich in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums von einem Verdichtereinlass (5) bis zu dem Verdichterlaufrad (3) erstreckt; 1.4 mit einem Rezirkulationskanal (9) für das zu verdichtende Medium, der im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes vom Einströmkanal (8) abzweigt und im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal (8) mündet; 1.5 mit einem Schallabschirmring (10), der im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal (8) und/oder im Rezirkulationskanal (9) eingesetzt ist, um Schallwellen des über den Rezirkulationskanal (9) rückströmenden zu verdichtenden Mediums abzuschirmen; wobei 1.6 der Schallabschirmring (10) mittels einer Schnappverbindung formschlüssig im Verdichtergehäuse (1) eingesetzt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring (10) eine Vielzahl von Rastvorsprüngen (15) aufweist, die in eine Hinterschneidung des Verdichtergehäuses (1) eingreifen; der Schallabschirmring (10) eine Vielzahl von an einem über dem Umfang umlaufenden ringförmigen Grundkörper (13) angeschlossenen Zungen (14) aufweist, welche mit den Rastvorsprüngen (15) versehen sind, und die Zungen (14) vom verdichtereinlassseitigen Ende in Richtung des Verdichterlaufrades (3) in den Rezirkulationskanal (9) hineinragen.
Strömungsverdichter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschneidung durch einen oder mehrere zumindest teilweise in Radialrichtung verlaufende Rezirkulationsschlitze (11) im Verdichtergehäuse (1) gebildet wird, welche die Abzweigung des Rezirkulationskanals (9) im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes des Einströmkanals (8) bilden.
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastvorsprünge (15) an dem dem Grundkörper (13) abgewandten freien Ende der Zungen (14) vorgesehen sind.
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring (10) im Bereich des Verdichtereinlasses (5) radial von außen in den Einströmkanal (8) hineinragt, insbesondere mit seinem ringförmigen Grundkörper (13).
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einströmkanal (8) und der Rezirkulationskanal (9) in Richtung der Drehachse des Verdichterlaufrades (3) erstrecken.
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring (10) den Rezirkulationskanal (9) auf dessen dem Verdichtereinlass (5) zugewandten Ende stirnseitig vollständig überdeckt.
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring (10) einteilig ausgeführt ist.
Strömungsverdichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabschirmring (10) aus Kunststoff hergestellt ist.
Strömungsverdichter, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, 9.1 mit einem Verdichtergehäuse (1); 9.2 mit einem Verdichterlaufrad (3), das drehbar im Verdichtergehäuse (1) gelagert ist; 9.3 mit einem Einströmkanal (8) für das zu verdichtende Medium, der sich in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Mediums von einem Verdichtereinlass (5) bis zu dem Verdichterlaufrad (3) erstreckt; 9.4 mit einem Rezirkulationskanal (9) für das zu verdichtende Medium, der im Bereich des verdichterlaufradseitigen Endes vom Einströmkanal (8) abzweigt und im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal (8) mündet; 9.5 mit einem Schallabschirmring (10), der im Bereich des verdichtereinlassseitigen Endes im Einströmkanal (8) und/oder im Rezirkulationskanal (9) vorgesehen ist, um Schallwellen des über den Rezirkulationskanal (9) rückströmenden zu verdichtenden Mediums abzuschirmen; dadurch gekennzeichnet, dass 9.6 der Schallabschirmring (10) in das Verdichtergehäuse (1) oder einen an diesem angeschlossenen Flansch (2) aus demselben Werkstoff wie das Verdichtergehäuse (1) oder der Flansch (2) oder in Form eines Einsatzes eingegossen ist.