DE102017216256B3

DE102017216256B3 - Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine und Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017216256B3
Application number: DE102017216256.2A
Authority: DE
Inventors: Mathias Bogner; Christoph Schäfer
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2037-09-15
Also published as: WO2019052760A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (30) für eine Aufladevorrichtung (1) einer Brennkraftmaschine, aufweisend- ein Verdichtergehäuse (31), in welchem ein Verdichterrad (13) drehfest auf einer drehbaren Läuferwelle (14) angeordnet ist;- einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmassenstroms (LM) auf das Verdichterrad (13);- einen im Verdichtergehäuse (31) ausgebildeten Rezirkulationskanal (60), der eine erste Kanalöffnung (61) stromabwärts eines im Luftzuführkanal (36) angeordneten Verdichterradeintritts (132) und eine zweite Kanalöffnung (62) stromaufwärts des Verdichterradeintritts (132) aufweist; und- eine im Luftzuführkanal (36) angeordnete variable Drossel (50, 70) zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts für den Luftmassenstrom (LM), wobei die variable Drossel (50, 70) zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt (A2) freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt (A1) freigegeben ist, verstellbar ist, und wobei die variable Drossel (50, 70) in der Schließstellung stromaufwärts vor der zweiten Kanalöffnung (62) angeordnet ist.Die Erfindung betrifft auch eine Aufladevorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine und eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Aufladevorrichtungen wie Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO₂-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
Ein Abgasturbolader weist eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
Der Verdichter ist in seinem Betriebsverhalten charakterisiert durch ein sogenanntes Verdichterkennfeld, das den Druckaufbau über den Massendurchsatz für verschiedene Verdichterdrehzahlen oder Umfangsgeschwindigkeiten beschreibt. Ein stabiles und nutzbares Kennfeld des Verdichters wird begrenzt durch die sogenannte Pumpgrenze hin zu niedrigen Durchsätzen, durch die sogenannte Stopfgrenze hin zu höheren Durchsätzen und strukturmechanisch durch die maximale Drehzahlgrenze. Beim Anpassen einer Aufladevorrichtung wie dem Abgasturbolader an einen Verbrennungsmotor wird ein Verdichter mit für den Verbrennungsmotor möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausgewählt. Hierbei sollten folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

- Eine Motorvolllastlinie soll komplett innerhalb des nutzbaren Verdichterkennfelds liegen;
- vom Fahrzeughersteller geforderte Mindestabstände zu den Kennfeldgrenzen sollen eingehalten werden;
- maximale Verdichterwirkungsgrade sollen bei Nennlast und in einem Bereich eines unteren Eckdrehmomentes des Verbrennungsmotors vorliegen; und
- das Verdichterrad soll ein minimales Trägheitsmoment haben.

Die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Voraussetzungen wäre mit einem herkömmlichen Verdichter ohne Zusatzmaßnahmen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise würden sich folgende Zielkonflikte durch gegenläufige Trends ergeben:

- Reduktion des Trägheitsmoments des Verdichters und Maximierung der Kennfeldbreite und des Spitzenwirkungsgrades,
- Reduktion des Spülens im Bereich des unteren Eckdrehmoments und Maximierung der spezifischen Nennleistung,
- Verbesserung des Ansprechverhaltens und Erhöhung der spezifischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.

Die genannten Zielkonflikte könnten durch ein Verdichter-Design gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Trägheitsmoment sowie maximale Wirkungsgrade auf der Volllastlinie des Motors aufweist.
Neben den genannten stationären Anforderungen muss auch bei transienten Betriebszuständen, zum Beispiel bei einem schnellen Lastabwurf des Verbrennungsmotors, ein stabiles Betriebsverhalten des Verdichters gewährleistet sein. Dies heißt, dass der Verdichter auch bei einer plötzlichen Abnahme des geförderten Verdichtermassenstroms nicht ins sogenannte Pumpen gelangen darf.
Mit Einschränkung auf den Verdichtereinlass eines Abgasturboladers ist die oben genannte Lösung bisher durch Zusatzmaßnahmen, wie einem verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat, Maßnahmen zur Reduktion eines Einlassquerschnitts des Verdichters oder einem festen Rezirkulationskanal, auch bekannt als Ported Shroud beziehungsweise kennfeldstabilisierende Maßnahme, erreicht worden. Bei den variablen Lösungen wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereiches des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Motorbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nach links hin zu niedrigen Massenströmen verschoben, während im Motorbetrieb bei hohen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nicht oder nach rechts verschoben wird.
Der Schaufel-Vorleitapparat verschiebt durch die Einstellung von Schaufelwinkeln und Induktion eines Vordralls in beziehungsweise gegen die Verdichterraddrehrichtung das gesamte Verdichterkennfeld hin zu kleineren beziehungsweise größeren Durchsätzen.
Der Verstellmechanismus des Vorleitapparats stellt jedoch eine filigrane, komplizierte und teure Lösung dar.
Die Maßnahmen mit Verengung des Verdichtereinlasses durch Querschnittsreduktion verschieben das Verdichterkennfeld hin zu kleineren Durchsätzen, in dem der Einlassquerschnitt durch Schließen der Konstruktion unmittelbar vor dem Verdichter verkleinert wird. Im geöffneten Zustand geben die Maßnahmen möglichst den gesamten Einlassquerschnitt wieder frei und beeinflussen beziehungsweise verschieben so das Kennfeld nicht oder nur marginal. Mögliche, derartige Lösungen sind beispielsweise in der US 2016/265424 A1 oder der DE 10 2011 121 996 A1 beschrieben.
Auch das Dokument DE 10 2012 011 423 B3 offenbart eine Verdichtereinrichtung mit Mitteln zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts des Ansaugkanals, wobei in einer ersten Stellung der Querschnitt des Ansaugkanals freigegeben ist und in einer zweiten Stellung der durchströmbare Querschnitt des Ansaugkanals verringert ist.
Bei dem festen Rezirkulationskanal handelt es sich um eine passive Lösung. Er verbreitert den nutzbaren Kennfeldbereich des Verdichters, ohne dessen Kennfeld grundsätzlich zu verschieben. Er stellt im Verhältnis zum Vorleitapparat und der beschriebenen variablen Querschnittsreduktion eine deutlich günstigere, aber gleichzeitig weniger effiziente Lösung dar.
Ein Verdichter mit einem solchen Rezirkulationskanal ist beispielsweise auch in Dokument DE 10 2006 007 347 A1 offenbart. Dabei ist der Rezirkulationskanal im Bereich des Verdichterradeintritts in dem Zuströmkanal des Verdichters angeordnet, wobei der Rezirkulationskanal eine erste Strömungsöffnung stromauf des Verdichterradeintritts, eine zweite Strömungsöffnung stromab des Verdichterradeintritts und eine die erste und die zweite Strömungsöffnung verbindende axiale Ringkammer aufweist.
Zur Vermeidung des Pumpens bei einem schnellen Lastabwurf wird gewöhnlich ein sogenanntes Schubumluft-Ventil eingesetzt, das im Falle der plötzlichen Abnahme des Ladeluftmassenstroms durch den Motor einen Bypass vom Verdichteraustritt zum Verdichtereintritt öffnet und so den Verdichter im stabilen Kennfeldbereich rechts von der Pumpgrenze hält. Eine Kombination aus aktiven Maßnahmen, wie dem variablen Vorleitapparat und dem Schubumluft-Ventil, ist denkbar, aber unüblich.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für eine Aufladevorrichtung anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb der Aufladevorrichtung beiträgt.
Es wird ein Verdichter, etwa ein Radialverdichter, für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine beschrieben. Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse auf, in welchem ein Verdichterrad drehfest auf einer Läuferwelle angeordnet ist.
Weiter ist ein Luftzuführkanal zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad vorgesehen. In dem Verdichtergehäuse ist ein Rezirkulationskanal ausgebildet, der eine erste Kanalöffnung stromabwärts eines im Luftzuführkanal angeordneten Verdichterradeintritts und eine zweite Kanalöffnung stromaufwärts des Verdichterradeintritts aufweist. Der Verdichter weist eine im Luftzuführkanal angeordnete variable Drossel zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts für den Luftmassenstrom auf. Die Drossel ist zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt, etwa des Luftzuführkanals, freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt, etwa des Luftzuführkanals, freigegeben ist, verstellbar. Die Drossel ist in der Schließstellung stromaufwärts vor der zweiten Kanalöffnung angeordnet.
Der beschriebene Verdichter für eine Aufladevorrichtung sieht einen variablen Rezirkulationskanal zur Kennfeldstabilisierung vor. Die Variabilität des Rezirkulationskanals wird über eine direkt stromaufwärts vor dessen zweiter Kanalöffnung befindliche, im Einlassbereich des Verdichters platzierte variable Drossel realisiert, bezogen auf eine Läuferdrehachse der Läuferwelle. Die Drossel ermöglicht es, sowohl den Einlassmassenstrom des Verdichters zu begrenzen und gleichzeitig den über den Rezirkulationskanal strömenden Massenstrom von einer Hauptströmung des Luftmassenstroms im Wesentlichen abzuschirmen. Die Drossel wirkt folglich wie eine Maskierung des Rezirkulationskanals und zusätzlich wie eine Maskierung des Verdichterrads. Bei zunehmender Androsselung übernimmt die Einlassdrossel gleichzeitig die Aufgabe einer Kennfeldverschiebung zu kleineren Massenströmen. Dadurch ist es möglich, den Betriebsbereich des Verdichters über die Wirkung eines festen Rezirkulationskanals ohne Androsselung hinaus zu erweitern und zusätzlich den Verdichter bei einem plötzlichen Lastabwurf des Motors in einem stabilen Betriebspunkt zu halten. Der letzte Aspekt ermöglicht es, auf ein separates Schubumluftventil zu verzichten.
Die beschriebene Platzierung der Drossel bewirkt eine vorteilhafte Verbindung zwischen einer reinen Kennfeldverschiebung durch Androsselung des Verdichterrads und einer reinen Stabilisierung des Verdichterkennfelds durch den Rezirkulationskanal. Durch die Platzierung der Drossel direkt vor der zweiten Kanalöffnung lassen sich eine Maskierung des Rezirkulationskanals und eine damit einhergehende Separation zwischen Hauptströmung und rezirkulierender Strömung im Betrieb des Verdichters beziehungsweise der Aufladevorrichtung bewirken. Die Rezirkulation bewirkt einen höheren Druckaufbau des Verdichters im Vergleich zu einer reinen Androsselung mit Platzierung der Blende direkt am Verdichtereintritt. Die Drossel erfüllt somit im Wesentlichen drei Aufgaben: Erstens die reine Androsselung, zweitens die gezielte Verstärkung der Rezirkulation in relevanten Betriebspunkten des Verdichters beziehungsweise der Aufladevorrichtung und drittens die Separation der Anströmung des Verdichterrads von der rezirkulierenden Strömung.
Die Form des Drosselquerschnitts zum Einstellen des Strömungsquerschnitts kann unterschiedlich ausfallen. Es sind beispielsweise kreisförmige Drosselquerschnitte, beispielsweise in Form eines konzentrischen Kreises, aber auch andere Formen, beispielsweise eine Stern-, eine Blumen- oder eine Polygonform, ausgebauchte oder wellenförmige Querschnitte möglich.
Durch das Schließen der Drossel wird der Verdichter auf besonders vorteilhafte Weise angedrosselt und damit eine Linksverschiebung des Kennfelds und der Pumpgrenze bewirkt. Das Schließen der Drossel wirkt nicht wie eine Trimmreduktion (Verhältnis eines Radeintritts- zu einem Radaustrittsdurchmesser) des Verdichters mit Stagnation eines Großteils der Strömung innerhalb des Verdichterrades, sondern erhöht den Rezirkulationsstrom über die kennfeldstabilisierende Maßnahme, was sich vorteilhaft auf den Druckaufbau im Verdichter auswirkt.
Der Rezirkulationskanal ist typischerweise ein um den Luftzuführkanal herum im Verdichtergehäuse ausgebildeter Kanal beziehungsweise Ringkanal, über den eine Rückströmung von bereits ins Verdichterrad eingeströmter Luft in den Eintrittsbereich des Verdichtergehäuses vor das Verdichterrad ermöglicht ist. Je nach Betriebspunkt des Verdichter bzw. der Aufladevorrichtung kann es jedoch auch sein, dass Luft über die zweite Kanalöffnung, den Rezirkulationskanal und die erste Kanalöffnung in das Verdichterrad und somit in entgegengesetzter Richtung einströmt.
In dem Rezirkulationskanal sind optional Strömungsleitschaufeln angeordnet, die durch Zwischenräume zum Durchströmen des Luftmassenstroms voneinander getrennt sind. Die Strömungsleitschaufeln sind beispielsweise parallel zur Läuferdrehachse oder strömungsgünstig unter einem bestimmten Winkel zur Läuferdrehachse ausgeführt. Die Strömungsleitschaufeln dienen beispielsweise auch der Lagerung oder Fixierung einer oder mehrerer Wandungsteile des Verdichtergehäuses, die den Rezirkulationskanal begrenzen. Die Fixierung erfolgt beispielsweise durch Formschluss. Der Rezirkulationskanal mündet hinter dem Verdichterradeintritt ab und vor dem Verdichterradeintritt wieder in den Luftzuführkanal ein.
Bei dem Verdichterradeintritt handelt es sich um den bezogen auf die Läuferdrehachse axialen Bereich des Verdichterrads, der eine Laufradbeschaufelung aufweist und als erstes vom Luftmassenstrom in Strömungsrichtung durchströmt wird. Anders ausgedrückt, handelt es sich um eine in einer Meridionalansicht ausgebildete Eintrittskante des Verdichterrads, die durch die Laufradbeschaufelung gebildet ist.
Der maximale Querschnitt, der durch die Drossel einstellbar ist, kann je nach Ausführungsform geringer sein als ein maximaler Querschnitt in einem anderen Bereich des Luftzuführkanals stromabwärts oder -aufwärts der Drossel.
Der Luftzuführkanal ist in dem Verdichter ausgebildet. Beispielsweise ist der Luftzuführkanal zumindest teilweise durch das Verdichtergehäuse, einen Ansaugstutzen und/oder andere Komponenten des Verdichters ausgebildet.
Bevorzugt ist die Drossel zumindest in der Schließstellung stromaufwärts unmittelbar vor der zweiten Kanalöffnung angeordnet. Die Drossel kann beispielsweise als eine bewegliche und drehbare Blende mit einer Öffnung oder als eine den Strömungsquerschnitt von außen verengende Irisblende, wie nachfolgend beschrieben, ausgebildet sein. Es ist neben diesen beiden, nachfolgend beschriebenen und vorteilhaften Lösungen jedoch auch eine andere Lösung für eine Drossel denkbar, die eine variable Maskierung des Rezirkulationskanals mit der Separierung von der Hauptströmung des Luftmassenstroms wie oben angegeben ermöglicht. Beispielsweise könnte ein Scherenmechanismus vorgesehen sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel als Lochblende ausgebildet, bei der ein Scheibenelement mit einer Öffnung um eine Schwenkachse in dem Luftzuführkanal gelagert und zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, in welcher der minimale Strömungsquerschnitt durch die Öffnung vorgegeben ist, verdrehbar ist. Das Scheibenelement, welches beispielsweise ringförmig ausgebildet ist, weist die Öffnung auf, über die der Luftmassenstrom in Schließstellung auf das Verdichterrad strömt und somit gedrosselt wird. In der Offenstellung ist der maximale Strömungsquerschnitt, der beispielsweise einem Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals entspricht, im Wesentlichen vollständig freigegeben, sodass das Verdichterkennfeld nicht oder kaum durch das Scheibenelement beeinflusst wird. Im Wesentlichen freigegeben bedeutet, dass nahezu der gesamte Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals zum Anströmen des Verdichterrads nutzbar ist, wobei das Scheibenelement in der Offenstellung, beispielsweise strömungsgünstig, umströmt wird. Mit anderen Worten ist das Scheibenelement so vorteilhaft angeordnet, dass dieses in der Offenstellung möglichst kein oder nur ein unwesentliches Hindernis für den Luftmassenstrom darstellt. Das Scheibenelement ist hinsichtlich der Formgebung so ausgebildet, dass dieses in der Schließstellung den Luftmassenstrom im Wesentlichen nur über die Öffnung auf das Verdichterrad strömen lässt. Mit anderen Worten schließt das Scheibenelement radial außen mit dem Luftzuführkanal so ab, dass der Luftmassenstrom nur über die Öffnung radial innen strömen kann.
Das Scheibenelement ist beispielsweise drehbar bezüglich einer Schwenkachse in dem Luftzuführkanal gelagert. Beispielsweise verläuft die Schwenkachse senkrecht zu einer Läuferdrehachse der Läuferwelle. Beispielsweise schneidet die Schwenkachse die Läuferdrehachse. In der Offenstellung ist das Scheibenelement beispielsweise parallel zur Läuferdrehachse. Insbesondere fällt die Läuferdrehachse in der Offenstellung mit dem Scheibenelement, etwa dessen Haupterstreckungsebene, zusammen. Derartige Ausgestaltungen tragen dazu bei, dass besonders effizient der Strömungsquerschnitt verringert oder freigegeben werden kann.
Die Öffnung des Scheibenelements ist beispielsweise mittig angeordnet. Beispielsweise handelt es sich um eine zentrale, etwa kreisförmige Öffnung. Die Öffnung ist in der Schließstellung beispielsweise koaxial zur Läuferdrehachse angeordnet. Es sind jedoch auch andere Öffnungsformen, etwa oval, blumenförmig oder dergleichen, denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel durch einen Irisblendenmechanismus gebildet, der mehrere Lamellen aufweist, die derart zwischen der Offenstellung und der Schließstellung zum Einstellen einer Blendenöffnung bewegbar sind, dass der Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrads variabel einstellbar ist. Beim Irisblendenmechanismus wird der Strömungsquerschnitt, der der Blendenöffnung entspricht, von außen nach innen verengt. Der Irisblendenmechanismus ist stromaufwärts vor der Kanalöffnung des Rezirkulationskanals sowohl der Offen- als auch Schließstellung angeordnet.
Ein derartiger Verdichter sieht einen variablen Irisblendenmechanismus vor, der typischerweise direkt vor dem Verdichtereinlass zur Kennfeldverschiebung angeordnet ist. Der Irisblendenmechanismus kann auch als Irisblende oder Irisdrossel bezeichnet werden und hat die Aufgabe, den Einlassmassenstrom des Verdichters durch stufenlose Veränderung des Strömungsquerschnitts einzustellen. Bei zunehmender Drosselung, das heißt Querschnittsverengung, übernimmt die Irisdrossel optional gleichzeitig die Aufgabe eines Schubumluft-Ventils, da sie ein Pumpen des Verdichters unterbinden kann. Dadurch ist es möglich, den Betriebsbereich des Verdichters aktiv zu beeinflussen und zusätzlich den Verdichter bei einem plötzlichen Lastabwurf des Motors in einem stabilen Betriebspunkt zu halten.
Der Irisblendenmechanismus weist mehrere, durch Drehung ineinander verschiebbare Lamellen auf. Der Irisblendenmechanismus ist an oder in einem feststehenden Gehäuse gelagert. Jede Lamelle ist einerseits in beziehungsweise an dem feststehenden Gehäuse und andererseits an einem bewegbar gelagerten Verstellring gelagert. Das Gehäuse ist beispielsweise ein separates Gehäuse des Irisblendenmechanismus, Teil des Verdichtergehäuses der Aufladevorrichtung oder mehrteilig ausgebildet, etwa durch einen Teil des Verdichtergehäuses und ein separates, zusätzliches Gehäuseteil. Das Gehäuse ist beispielsweise ringförmig ausgebildet oder hat einen ringförmigen Abschnitt. Das Gehäuse kann auch ein feststehendes, ringförmiges Gehäuseelement sein. Die Lamellen werden über den Verstellring synchronisiert und gemeinsam bewegt. Durch Drehung des Verstellrings wird auch die Drehung der Lamellen ausgelöst. Bei einer Drehung der Lamellen parallel zur Drehachse des Verdichterrads schwenken die Lamellen radial nach innen und führen so zu einer gewünschten Verengung des Strömungsquerschnittes direkt vor dem Verdichterrad. Der Verstellring selbst wird über einen Aktuator angesteuert und bewegt. Der Aktuator ist beispielsweise ein elektrisch oder pneumatisch betriebener Steller.
Eine Lamelle hat einen im Wesentlichen plattenförmigen und/oder flachen Lamellengrundkörper, der für die Abschirmung des Luftmassenstroms und somit der Einstellung der Blendenöffnung dient. Für die Lagerung am Gehäuse und Verstellring weist eine Lamelle etwa zwei Halteelemente (auch Betätigungselemente) auf, die beispielsweise jeweils in einem Befestigungsabschnitt des Lamellengrundkörpers angeordnet sind. Ein Halteelement ist beispielsweise als Haltestift oder stiftförmiger Haltekörper ausgebildet. Ein Halteelement erstreckt sich typischerweise normal zu einer Haupterstreckungsebene des Lamellengrundkörpers. Die Befestigungsabschnitte können beispielsweise als ein erstes und ein zweites Ende oder als ein erster beziehungsweise zweiter Endbereich der jeweiligen Lamelle ausgebildet sein. Die beiden Befestigungsabschnitte einer Lamelle haben typischerweise gleiche Wandstärken.
Gemäß einer Ausführungsform ist in der Offenstellung der Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals im Wesentlichen vollständig freigegeben. Mit anderen Worten ist die Drossel im geöffneten Zustand komplett aus der Strömung des Luftmassenstroms im Luftzuführkanal (Hauptströmung) entfernt, sodass negative Effekte auf Durchsatz und Verdichterwirkungsgrad bei insbesondere hohen Massenströmen minimiert sind. Im Folgenden werden drei Ausführungsformen beschrieben, die Parameter für eine optionale, besonders vorteilhafte Anordnung der Drossel bezogen auf den Rezirkulationskanal betreffen. Die Ausführungsformen tragen für sich genommen oder in Kombination dazu bei, einen besonders effizienten Betrieb des Verdichters und somit der Aufladevorrichtung zu ermöglichen. Insbesondere werden die eingangs genannten Vorteile und Funktionen besonders ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt in der Schließstellung der Drossel ein Verhältnis der Fläche des minimalen Strömungsquerschnitts zu der Fläche des Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals am Verdichterradeintritt einen Wert kleiner oder gleich 0,8.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt in der Schließstellung der Drossel ein Verhältnis eines axialen Abstands, bezogen auf eine Läuferdrehachse der Läuferwelle, zwischen der Drossel und einer der Drossel in der Schließstellung zugewandten Stirnfläche der Läuferwelle zu einem Durchmesser des maximalen Strömungsquerschnitts in der Offenstellung einen Wert kleiner als 0,6.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt in der Schließstellung der Drossel ein Verhältnis eines axialen Abstands, bezogen auf eine Läuferdrehachse der Läuferwelle, zwischen der Drossel und der zweiten Kanalöffnung zu einem Durchmesser eines Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals an einer axialen Position, bezogen auf eine Läuferdrehachse der Läuferwelle, der zweiten Kanalöffnung einen Wert kleiner als 0,3.
Den zuvor beschriebenen Ausführungsformen lassen sich die mit Hilfe der Ausführungsbeispiele beschrieben Formeln zuordnen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel derart ausgebildet, dass in der Offenstellung der Rezirkulationskanal, insbesondere die zweite Kanalöffnung, verschlossen ist. Dadurch ist eine Durchströmung des Rezirkulationskanals unterbunden, was zu verminderten Druckverlusten im Vergleich zum nichtverschlossenen Rezirkulationskanal führt, insbesondere in einem Betriebsbereich des Verdichters in der Kennfeldmitte.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drossel derart ausgebildet, dass in der Offenstellung der maximale Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals und der Rezirkulationskanal freigegeben sind, wobei die Drossel in eine weitere Offenstellung verstellbar ist, in der der maximale Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals freigegeben, jedoch der Rezirkulationskanal verschlossen ist. Dadurch ist es möglich, mit der Drossel in der Offenstellung den Rezirkulationskanal freizugeben, ohne den Luftzuführkanal für die Hauptströmung zu versperren. Die Drossel und das Verdichtergehäuse sind demnach so dimensioniert, dass die Drossel in der Offenstellung den Rezirkulationskanal freigibt, ohne den Luftzuführkanal für die Hauptströmung zu versperren. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, den Luftmassenstrom durch eine Durchströmung des Rezirkulationskanals in derselben Richtung wie der Hauptströmung nahe der Stopfgrenze zu erhöhen. Mit anderen Worten kann der Luftmassenstrom über die zweite Kanalöffnung in den Rezirkulationskanal einströmen und über die erste Kanalöffnung in das Verdichterrad eintreten. Dadurch wird die oben beschriebene Erhöhung des Verdichtermassenstroms nahe der Stopfgrenze ermöglicht. Im Betriebsbereich in einer Kennfeldmitte kann der Rezirkulationskanal aber durch Verstellen der Drossel in die weitere Offenstellung analog der obigen Ausführungsform verschlossen werden, woraus geringere Druckverluste und folglich ein besserer Verdichterwirkungsgrad gegenüber einer Variante mit nicht verschließbarem Rezirkulationskanal ermöglicht sind.
Gemäß einer Ausführungsform sind im Rezirkulationskanal mehrere Strömungsleitschaufeln angeordnet, deren Ausrichtung variabel bezogen auf eine Läuferdrehachse der Läuferwelle verstellbar ist. Dies ermöglicht eine optimale Anströmung der Strömungsleitschaufeln, wenn über den Rezirkulationskanal Luft strömt. Insbesondere beim Betrieb des Verdichters nahe der Stopfgrenze werden Totaldruckverluste durch eine Ausrichtung der Schaufeln parallel zur Hauptströmung im Luftzuführkanal, etwa parallel zur Läuferdrehachse, minimiert. Beispielsweise im Betrieb nahe der Stopfgrenze werden die Strömungsleitschaufeln parallel zu einer Hauptströmung ausgerichtet, während sie in einem Betrieb nahe der Pumpgrenze schräg, etwa unter einem vorbestimmten Winkel, für eine optimale Anströmung ausgerichtet sind. Das Einstellen der Strömungsleitschaufeln erfolgt beispielsweise mittels eines pneumatischen oder elektrischen Stellers.
Des Weiteren wird eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine offenbart, die Läuferlager mit einem Lagergehäuse, in welchem eine Läuferwelle drehbar gelagert ist, und einen Verdichter nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen aufweist. Die Aufladevorrichtung ist ein Abgasturbolader oder ein elektromotorisch betriebener Lader.
Die Aufladevorrichtung ermöglicht im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile und Funktionen. Insbesondere eignet sich der zuvor beschriebene Verdichter in sämtlichen Ausführungsformen sowohl für einen Abgasturbolader, bei dem wie eingangs erläutert eine Turbine durch einen Abgasmassenstrom angetrieben wird, oder für einen elektromotorisch betriebenen Lader. Ein elektromotorisch betriebener Lader beziehungsweise eine Aufladevorrichtung mit einem elektromotorisch betriebenen Lader wird auch als sogenannter E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet.
Weitere Vorteile und Funktionen werden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einmal anhand von Bezugszeichen beschriebene Merkmale sind nicht zwingend in jeder Figur mit Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht einer Aufladevorrichtung mit einem Verdichter mit Irisblendenmechanismus,
2a bis 2c schematische Aufsichten des Irisblendenmechanismus in drei verschiedenen Zuständen,
3 bis 7 schematische Querschnittsansichten eines Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezirkulationskanal gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 bis 10 schematische Querschnittsansichten eines Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezirkulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 bis 13 schematische Querschnittsansichten eines Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezirkulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 bis 18 schematische Querschnittsansichten eines Verdichters mit einer Lochblende und einem Rezirkulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
19A bis 19C drei schematische Ansichten von Blendenöffnungen des Irisblendenmechanismus, und
20A bis 20C drei verschiedene Betriebszustände eines Verdichters mit Rezirkulationskanal und variablen Strömungsleitschaufeln.

1 zeigt schematisiert eine exemplarische Aufladevorrichtung 1 in Schnittdarstellung, die einen Verdichter 30 (hier ein Radialverdichter), ein Läuferlager 40 und eine Antriebseinheit 20 umfasst. Der Verdichter 30 weist ein optionales Schub-Umluftventil (nicht dargestellt) auf und ein Luft-Massestrom LM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Laderläufer 10 der Aufladevorrichtung 1 weist ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet). Der Laderläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14 . Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Laderachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung der Aufladevorrichtung 1. Der Laderläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
In der Regel weist eine Aufladevorrichtung 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein Gehäuse der Antriebseinheit 20, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und ein zwischen dem Gehäuse der Antriebseinheit 20 und Verdichtergehäuse 31 vorgesehenes Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Laderachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
Eine weitere Baueinheit der Aufladevorrichtung 1 stellt der Laderläufer 10 dar, der zumindest die Läuferwelle 14 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Verdichterlaufrad 13 ist auf einem Ende der Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Laderachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Laderachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt.
Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Luftzuführkanal 36 auf, der optional einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Luft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Laderachse 2 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Luftzuführkanal 36 wird der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Luft-Saugsystem angesaugt und auf das Verdichterrad 13 geleitet. Der Luftzuführkanal 36 kann auch ein Teil eines Ansaugstutzens sein und somit nicht Teil des Verdichtergehäuses 31. Der Luftzuführkanal 36 schließt beispielsweise an das Verdichtergehäuse 31 an und bildet einen Verdichtereinlass 36a zum Leiten des Luftmassenstroms LM auf das Verdichterlaufrad 13.
Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Laderachse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, einen sogenannten Spiralkanal 32, auf. Dieser Spiralkanal 32 weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung mit definierter Spaltbreite, den sogenannten Diffusor 35, auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterlaufrads 13 weg gerichtet in den Spiralkanal 32 hinein verläuft und durch den der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in den Spiralkanal 32 strömt.
Der Spiralkanal 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Luftabführkanal 33 mit einem optionalen Verteiler-Anschlussstutzen 34 zum Anschluss an ein Luft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Luftabführkanal 33 wird der Luftmassenstrom LM unter erhöhtem Druck in das Luft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
Die Antriebseinheit 20 ist in 1 nicht weiter detailliert und kann sowohl als Abgasturbine als auch als elektromotorische Antriebseinheit ausgeführt sein, was die Aufladevorrichtung 1 im einen Fall zu einem Abgasturbolader und im anderen Fall zu einem elektromotorisch betriebenen Lader auch als E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet, macht. Im Falle eines Abgasturboladers wäre gegenüber des Verdichterrads 13 beispielsweise ein Turbinenlaufrad (auch Turbinenrad bezeichnet) vorgesehen, welches auf der Läuferwelle 14 drehfest angeordnet und von einem Abgasmassenstrom angetrieben würde.
Im Luftmassenstrom LM stromaufwärts vor dem Verdichterlaufrad 13 ist ein Irisblendenmechanismus 50 zusätzlich oder alternativ zu einem Schubumluft-Ventil (siehe 1) im Luftzuführkanal 36 unmittelbar vor einem Verdichtereinlass 36a (auch Verdichtereintritt) angeordnet und/oder bildet zumindest einen Teilbereich des Luftzuführkanals 36 unmittelbar vor dem Verdichtereinlass 36a des Verdichtergehäuses 31. Der Irisblendenmechanismus 50 ähnelt hinsichtlich seines Funktionsprinzips einer Irisblende in einem Fotoapparat. Der Irisblendenmechanismus 50 ist dazu ausgebildet, eine Blendenöffnung zumindest teilweise zu schließen oder zu öffnen, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom LM zum Anströmen des Verdichterlaufrads 13 zumindest über einen Teilbereich des Strömungsquerschnittes variabel einstellbar ist. Der Irisblendenmechanismus 50 ermöglicht eine Kennfeldverschiebung für den Verdichter 30, in dem dieser als variable Einlassdrossel für das Verdichterrad 13 fungiert. 2a bis 2c zeigen schematisch den Irisblendenmechanismus 50 der Aufladevorrichtung 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen.
Der Irisblendenmechanismus 50 ist an oder in dem Verdichtergehäuse 31 festgelegt und/oder bildet dieses zumindest teilweise. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an einem separaten, feststehenden Gehäuse für den Irisblendenmechanismus 50 gelagert. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an beziehungsweise in einem mehrteiligen Gehäuse gelagert, wobei ein Teil des mehrteiligen Gehäuses durch das Verdichtergehäuse 31 und ein Teil durch ein zusätzliches separates Gehäuse (-element) gebildet ist. Der Irisblendenmechanismus 50 weist einen im Luftzuführkanal 36 konzentrisch zum Verdichtereinlass 36a festgelegten Lagerring 68, einen konzentrisch dazu angeordneten, um ein gemeinsames Zentrum drehbaren Verstellring 53 mit einem Stellhebel 53a und mehrere um einen jeweiligen Drehpunkt im Lagerring 68 drehbar gelagerte Lamellen 52 auf. Anstelle des Lagerrings 68 kann auch das Verdichtergehäuse 31 oder ein anderes Gehäuse (-element) als Lager dienen. Die Lamellen 52 weisen beispielsweise einen plattenförmigen Lamellengrundkörper und zumindest ein stiftförmiges Betätigungselement (hier nicht erkennbar), welches zur Betätigung der jeweiligen Lamelle 52 ausgebildet ist, als integrale Bestandteile der jeweiligen Lamelle 52 auf.
An dem Verstellring 53 sind die Lamellen 52 ebenfalls drehbar und/oder verschiebbar, etwa mittels des Betätigungselements, geführt. Im Beispiel hat der Verstellring 53 drei Nuten 54 (in den Figuren angedeutet) zur Lagerung/Führung der Lamellen 52. Über den Verstellring 53 werden die Lamellen 52 synchronisiert und bewegt. Der Verstellring 53 ist beispielsweise am oder im Gehäuse gelagert. Durch Betätigung des Verstellrings 53 werden die Lamellen 52 radial nach innen verschwenkt und verengen eine Blendenöffnung 55 des Irisblendenmechanismus 50. 2a zeigt dabei die Blendenöffnung 55 mit einer maximalen Öffnungsweite (Offenstellung), 2b zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer verringerten Öffnungsweite und 2c zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer minimalen Öffnungsweite (Schließstellung).
3 bis 7 zeigen schematische Querschnittsansichten eines Verdichters 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Aufladevorrichtung. Der Verdichter 30 eignet sich beispielsweise für die eingangs beschriebene Aufladevorrichtung 1 (siehe 1). 3 bis 7 zeigen dabei verschiedene Betriebszustände des Verdichters 30.
Der Verdichter 30 weist ein Verdichtergehäuse 31 und ein Verdichterrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 auf. Das Verdichterrad 13 ist in einer Meridionalansicht dargestellt, wobei ein Verdichtereintritt 132, der auch als Verdichtereintrittskante bezeichnet werden kann, dargestellt ist. Der Verdichter 30 weist weiterhin einen Luftzuführkanal 36 auf zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad 13. Der Verdichter 30 weist den zuvor beschriebenen Irisblendenmechanismus 50 als variable Drossel auf, wobei die Darstellung vereinfacht ist. Zudem ist auf den optionalen Lagerring 68 verzichtet. Weiterhin weist der Verdichter 30 einen Rezirkulationskanal 60 auf. Der Rezirkulationskanal 60 hat eine erste Kanalöffnung 61 und eine zweite Kanalöffnung 62. Die erste Kanalöffnung 61 ist stromabwärts des Verdichtereintritts 132 angeordnet, während die zweite Kanalöffnung 62 stromaufwärts vor dem Verdichtereintritt 132 angeordnet ist. Die erste Kanalöffnung 61 ist mit einer Fortsetzung des Luftzuführkanals 36, etwa eines Hauptkanals im Verdichtergehäuse 31, fluidisch gekoppelt. Die zweite Kanalöffnung 62 ist fluidisch mit dem Luftzuführkanal 36 gekoppelt. Im Rezirkulationskanal 60 sind optional ein oder mehrere Strömungsleitschaufeln 64 (hier und in den weiteren Figuren zur Verdeutlichung kreuzschraffiert dargestellt) angeordnet.
Der Irisblendenmechanismus 50 ist derart stromaufwärts vor dem Rezirkulationskanal 60, insbesondere der zweiten Kanalöffnung 62, angeordnet, dass durch die Drosselfunktion neben der Drosselung des Luftmassenstroms für den Verdichter 13 gleichzeitig der über den Rezirkulationskanal 60 strömende Massenstrom von der Hauptströmung abschirmbar ist. In 3 ist ein vollständig geschlossener Zustand des Irisblendenmechanismus 50 gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel der 3 bis 7 gelten die folgenden vorteilhaften geometrischen Abmessungen für die Anordnung des Irisblendenmechanismus 50: $\frac{A_{D, m i n}}{A_{V}} = \frac{π * r_{D, m i n}^{2}}{π * r_{V}^{2}} \leq 0,8$
$\frac{L}{2 * r_{D, m a x}} = \frac{L}{d_{D, m a x}} < 0,6$
$\frac{x}{2 * r_{R}} = \frac{x}{d_{R}} < 0,3$
Dabei gelten die folgenden Parameter:

• A_D,min entspricht einer Fläche des minimalen Strömungsquerschnitts (Blendenöffnung 55) des Irisblendenmechanismus 50 in der Schließstellung.
• A_V entspricht der Fläche des Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals 36 direkt vor dem Verdichtereintritt 132.
• r_D,min entspricht dem Radius einer dem minimalen Strömungsquerschnitt entsprechenden Kreisfläche des Irisblendenmechanismus 50 in der Schließstellung.
• r_V entspricht dem Radius des Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals 36 direkt vor dem Verdichtereintritt 132.
• L entspricht dem lichten axialen Abstand zwischen dem Irisblendenmechanismus 50, insbesondere der Lamellen 52, und einer dem Irisblendenmechanismus 50 zugewandten Stirnfläche 63 der Läuferwelle 14.
• r_D,max entspricht dem Radius einer dem maximalen Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals 36 entsprechenden Kreisfläche des Irisblendenmechanismus 50 in der Offenstellung.
• d_D,max entspricht dem Durchmesser der dem maximalen Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals 36 entsprechenden Kreisfläche des Irisblendenmechanismus 50 in der Offenstellung.
• x entspricht dem lichten axialen Abstand zwischen dem Irisblendenmechanismus 50, insbesondere der Lamellen 52, und der zweiten Kanalöffnung 62 des Rezirkulationskanals 60, wobei der Abstand auf eine axiale Mitte der zweiten Kanalöffnung 62 bezüglich der Läuferdrehachse 15 bezogen ist.
• r_R entspricht dem Radius des Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals 36 an der axialen Position der zweiten Kanalöffnung 62, wiederum auf die axiale Mitte bezogen.

Anhand der 4 bis 7 wird nun das Funktionsprinzip der Platzierung des Irisblendenmechanismus 50 vor der zweiten Kanalöffnung 62 beschrieben.
4 zeigt den Verdichter 30 im vollständig geschlossenen Zustand des Irisblendenmechanismus 50, wobei der Verdichter 30 nahe der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld betrieben wird. Durch die Maskierung des Rezirkulationskanals 60 erhöht sich der rezirkulierende Luftmassenstrom LMR, wodurch der Betriebspunkt weiter stabilisiert wird. Durch die geschlossene Stellung sind darüber hinaus auch Betriebspunkte bei noch weiter reduziertem Luftmassenstrom LM möglich. Die Rezirkulation über den Rezirkulationskanal 60 erhöht sich dadurch weiter im Vergleich zu einer Ausführung mit einfachem Rezirkulationskanal ohne wirksame Blende (siehe 5) und stabilisiert den jeweiligen Betriebspunkt im Verdichterkennfeld entsprechend.
5 zeigt den Verdichterbetrieb nahe der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld mit Irisblendenmechanismus 50 in einer vollständigen Offenstellung. Dabei strömt der Luftmassenstrom LM in das Verdichterrad 13 ein, wobei zusätzlich über den Rezirkulationskanal 60 ein Rezirkulationsmassenstrom LMR über die zweite Kanalöffnung 62 zurück in den Luftzuführkanal 36 strömt.
6 zeigt einen Zustand des Verdichters 30 und des Irisblendenmechanismus 50 in der Offenstellung. Der Verdichter 30 wird nahe einem Idealpunkt (Bestpunkt) im Verdichterkennfeld betrieben, wobei nahezu keine Rezirkulation über den Rezirkulationskanal 60 stattfindet. Der Eintrittsquerschnitt für das Verdichterrad 30, siehe Radius r_V in 3, wird somit nahezu vollständig von der Hauptströmung des Luftmassenstroms LM eingenommen.
Bei einer weiteren Erhöhung des Luftmassenstroms LM beginnt sich ein Rezirkulationsmassenstrom LMR in derselben Richtung der Hauptströmung LM auszubilden (siehe 7) . Mit anderen Worten strömt der Luftmassenstrom LM teilweise über die zweite Kanalöffnung 62 und den Rezirkulationskanal 60 über die erste Kanalöffnung 61 in das Verdichterrad 13 ein. Dadurch erhöht sich der Gesamtmassenstrom des Verdichters 30, da der engste Querschnitt in den Kanälen der Laufradbeschaufelung 131 am Verdichtereintritt 132 umgangen wird. Der engste Querschnitt definiert den maximal möglichen Verdichtermassenstrom durch die Kanäle der Laufradbeschaufelung 131.
8 bis 10 zeigen einen Verdichter 30 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Analog zu oben weist der Verdichter 30 wiederum einen Irisblendenmechanismus 50 auf sowie einen Rezirkulationskanal 60. Der Verdichter 30 eignet sich wieder für eine Aufladevorrichtung 1 wie gemäß 1 beschrieben. Im Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel kann mittels des Irisblendenmechanismus 50 der Rezirkulationskanal 60, insbesondere die zweite Kanalöffnung 62, aktiv verschlossen werden.
Bei vollständig geschlossener Blende (siehe 10) ist der Rezirkulationskanal 60 vollständig geöffnet und es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile, etwa beim Betrieb an der Pumpgrenze.
9 zeigt eine halboffene Stellung des Irisblendenmechanismus 50, wobei immer noch der Rezirkulationskanal 60 vollständig freigegeben, die Abschattung durch den Irisblendenmechanismus 50 und somit auch die Verstärkung der Rezirkulation sind jedoch verringert. Es ergibt sich dadurch aber ein größerer Strömungsquerschnitt in der Hauptströmung für den Luftmassenstrom LM durch den Luftzuführkanal 36, wodurch ein höherer Verdichtermassenstrom gefördert werden kann. Diese Betriebsvariante eignet sich beispielsweise für den Betriebsbereich nahe der Pumpgrenze.
Für einen Betrieb in der Mitte des Verdichterkennfelds wird der Irisblendenmechanismus 50 in die Offenstellung überführt, wodurch der Rezirkulationskanal 60 (siehe 8), vollständig geschlossen wird. Eine Durchströmung des Rezirkulationskanals 60 ist somit unterbunden, was zu verminderten Druckverlusten im Vergleich zu einem nicht verschlossenen Rezirkulationskanal in diesem Betriebsbereich führt.
11 bis 13 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Verdichters 30, wobei im Unterschied zuvor beschriebener Ausführungsbeispiele 8 bis 10 der Irisblendenmechanismus 50 neben einer ersten Offenstellung in eine zweite, weitere Offenstellung verfahrbar ist. In der ersten Offenstellung, die in 11 gezeigt ist, ist der gesamte Luftzuführkanal 36 hinsichtlich des Strömungsquerschnitts freigegeben, der Rezirkulationskanal 60 ist ebenfalls geöffnet. In der zweiten Offenstellung des Irisblendenmechanismus 50, die in 12 dargestellt ist, ist der Rezirkulationskanal 60 geschlossen, während der Luftzuführkanal 36 weiterhin vollständig freigegeben ist. 13 zeigt einen Zustand des Irisblendenmechanismus 50, wobei die Schließstellung gezeigt ist, sodass die eingangs genannten Vorteile und Funktionen hinsichtlich der Maskierung des Rezirkulationskanals 60 gegeben sind, der im Beispiel wieder geöffnet ist.
14 bis 18 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verdichters 30, welcher im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile und Funktionen ermöglicht, jedoch anstelle eines Irisblendenmechanismus 50 nun eine verschwenkbare Lochblende 70 als variable Drossel aufweist. Die Lochblende 70 ist als ringförmiges Scheibenelement 72 ausgeführt, welches in der Mitte eine kreisrunde Öffnung 71 aufweist. Die Lochblende 70 ist um eine Schwenkachse 73 drehbar in dem Luftzuführkanal 36 am Verdichtergehäuse 31 gelagert. Die Schwenkachse 73 ist senkrecht zur Läuferdrehachse 15 ausgerichtet. 14 zeigt die geschlossene Stellung der Lochblende 70 bei einem Verdichterbetrieb nahe der Pumpgrenze. 15 zeigt eine Zwischenstellung der Lochblende 70 beim Überführen dieser in die Offenstellung. 16 zeigt eine Offenstellung der Lochblende 70 bei einem Verdichterbetrieb mit hohen Massenströmen in der Nähe der Stopfgrenze. 17 zeigt die geöffnete Lochblende 70 bei einem Betrieb des Verdichters nahe eines idealen Betriebspunktes. 18 zeigt die geöffnete Lochblende 70 bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Stopfgrenze.
19A bis 19C zeigen verschiedene Blendenöffnungen 55 für den beschriebenen Irisblendenmechanismus 50, wobei in Abhängigkeit der Formgebung der Lamellen 52 verschiedene Querschnitte bewirkt sind. 19A zeigt einen kreisrunden Querschnitt, während 19B einen polygonförmigen Querschnitt und 19C einen wellenförmigen Querschnitt zeigt. Derartige Querschnitte eignen sich analog für die Lochblende 70.
20A bis 20C betreffen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die im Rezirkulationskanal 60 eines Verdichters 30 befindlichen Strömungsleitschaufeln 64, die beispielsweise über einen gemeinsamen Ring 65 verbunden sind, dargestellt sind. Die Strömungsleitschaufeln 64 sind in ihrer Ausrichtung variabel verstellbar, sodass diese einen vorbestimmten Winkel zur Läuferdrehachse 15 einnehmen. In 20A erstrecken sich die Strömungsleitschaufeln 64 im Wesentlichen parallel zur Läuferdrehachse 15, während 20B und 20C winklige Ausrichtungen zeigen. Bei dem Verdichter 30 handelt es sich beispielsweise um einen Verdichter der vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Verdichter 30 nicht zwingend Teil der in 1 exemplarisch beschriebenen Aufladevorrichtung 1 sein müssen. Vielmehr kann die Aufladevorrichtung 1 auch andersartig ausgestaltet sein.

Claims

Verdichter (30) für eine Aufladevorrichtung (1) einer Brennkraftmaschine, aufweisend - ein Verdichtergehäuse (31), in welchem ein Verdichterrad (13) drehfest auf einer drehbaren Läuferwelle (14) angeordnet ist; - einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmassenstroms (LM) auf das Verdichterrad (13); - einen im Verdichtergehäuse (31) ausgebildeten Rezirkulationskanal (60), der eine erste Kanalöffnung (61) stromabwärts eines im Luftzuführkanal (36) angeordneten Verdichterradeintritts (132) und eine zweite Kanalöffnung (62) stromaufwärts des Verdichterradeintritts (132) aufweist; und - eine im Luftzuführkanal (36) angeordnete variable Drossel (50, 70) zum Einstellen eines Strömungsquerschnitts für den Luftmassenstrom (LM), wobei die variable Drossel (50, 70) zwischen einer Offenstellung, in welcher ein maximaler Strömungsquerschnitt (A2) freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher ein minimaler Strömungsquerschnitt (A1) freigegeben ist, verstellbar ist, und wobei die variable Drossel (50, 70) in der Schließstellung stromaufwärts vor der zweiten Kanalöffnung (62) angeordnet ist.
Verdichter (30) nach Anspruch 1, wobei die Drossel als Lochblende (70) ausgebildet ist, bei der ein Scheibenelement (72) mit einer Öffnung (71) um eine Schwenkachse (73) in dem Luftzuführkanal (36) gelagert und zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, in welcher der minimale Strömungsquerschnitt (A1) durch die Öffnung (71) vorgegeben ist, verdrehbar ist.
Verdichter (30) nach Anspruch 1, wobei die Drossel durch einen Irisblendenmechanismus (50) gebildet ist, der mehrere Lamellen (52) aufweist, die derart zwischen der Offenstellung und Schließstellung zum Einstellen einer Blendenöffnung (55) bewegbar sind, dass der Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom (LM) zum Anströmen des Verdichterrads (13) variabel einstellbar ist.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Offenstellung der Strömungsquerschnitt (A2) des Luftzuführkanals (36) im Wesentlichen vollständig freigegeben ist.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schließstellung der Drossel (50, 70) ein Verhältnis der Fläche des minimalen Strömungsquerschnitts (A1) zu der Fläche des Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals (36) am Verdichterradeintritt (132) einen Wert kleiner oder gleich 0,8 beträgt.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schließstellung der Drossel (50, 70) ein Verhältnis eines axialen Abstands zwischen der Drossel (50, 70) und einer der Drossel (50, 70) in der Schließstellung zugewandten Stirnfläche der Läuferwelle (14) zu einem Durchmesser des maximalen Strömungsquerschnitts (A2) in der Offenstellung einen Wert kleiner als 0,6 beträgt.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schließstellung der Drossel (50, 70) ein Verhältnis eines axialen Abstands zwischen der Drossel (50, 70) und der zweiten Kanalöffnung (62) zu einem Durchmesser eines Strömungsquerschnitts des Luftzuführkanals (36) an einer axialen Position der zweiten Kanalöffnung (62) bezogen auf eine Läuferdrehachse (15) der Läuferwelle (14) einen Wert kleiner als 0,3 beträgt.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drossel (50, 70) derart ausgebildet ist, dass in der Offenstellung der Rezirkulationskanal (60), insbesondere die zweite Kanalöffnung (62), verschlossen ist.
Verdichter (30) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Drossel (50, 70) derart ausgebildet ist, dass in der Offenstellung der maximale Strömungsquerschnitt (A2) des Luftzuführkanals (36) und der Rezirkulationskanal (60) freigegeben sind, wobei die Drossel (50, 70) in eine weitere Offenstellung verstellbar ist, in der der maximale Strömungsquerschnitt (A2) des Luftzuführkanals (36) freigegeben, jedoch der Rezirkulationskanal (60) verschlossen ist.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Rezirkulationskanal (60) mehrere Strömungsleitschaufeln (64) angeordnet sind, deren Ausrichtung variabel bezogen auf eine Läuferdrehachse (15) der Läuferwelle (14) verstellbar ist.
Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Läuferlager (40) mit einem Lagergehäuse (41), in welchem eine Läuferwelle (14) drehbar gelagert ist, und einen Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufladevorrichtung (1) ein Abgasturbolader oder ein elektromotorisch betriebener Lader ist.