DE10357711A1 - cooling method - Google Patents

Abstract

Auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdicherrades (1) wird eine Kühlflüssigkeit (21) aufgebracht. Die Kühlflüssigkeit verdampft (23) aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit (22) sinkt und die gekühlte Flüssigkeit übt damit eine kühlende Wirkung auf das Vedichterrad aus. DOLLAR A Mit Zugabe von kleinen Mengen Flüssigkeit kann der Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen dem Verdichterrad und der Strömung bereits wesentlich erhöht werden.On the surface of the rotating Verdicherrades (1) coming into contact with the gaseous medium to be compressed, a cooling liquid (21) is applied. The cooling liquid evaporates (23) at least partially due to the high temperatures of the compressor wheel. The temperature of the cooling liquid (22) drops and the cooled liquid thus exerts a cooling effect on the Vedichterrad. DOLLAR A With the addition of small amounts of liquid, the heat transfer coefficient alpha between the compressor wheel and the flow can already be significantly increased.

Description

Technisches Gebiettechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der abgasbetriebenen Turbolader. Sie betrifft ein Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines.The This invention relates to the field of exhaust gas turbochargers. It relates to a method for cooling the compressor wheel of a.

Stand der TechnikState of technology

In der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, in denen Bauteile, die thermisch beansprucht sind, durch Zirkulation eines flüssigen oder gasförmigen Mediums gekühlt werden.In In the art, various methods are known in which components, which are thermally stressed, by circulation of a liquid or gaseous medium chilled become.

Die Kühlung durch Flüssigkeiten ist sehr wirksam, wenn die Flüssigkeit bis in die Nähe der kritischen Stellen des Bauteils geführt werden kann. Diese Art Kühlung ist jedoch relativ aufwendig, denn in der Regel wird die Flüssigkeit in einem Kreislauf betrieben. Die Kühlflüssigkeit wird durch Kühlkanäle in den zu kühlenden Teilen gepumpt, nimmt dort Wärme auf und gibt die aufgenommene Wärme anschliessend in einem separaten Wärmetauscher wieder ab.The cooling through liquids is very effective when the liquid close to it the critical points of the component can be performed. This kind cooling However, it is relatively expensive, because usually the liquid operated in a cycle. The coolant is through cooling channels in the to be cooled Parts pumped, takes heat there on and gives the absorbed heat then again in a separate heat exchanger.

Die Kühlung mit einem Gas ist mit weniger Aufwand verbunden, denn das gasförmige Kühlmedium muss lediglich auf das zu kühlende Bauteil gerichtet werden und dieses umströmen. Oftmals wird das Gas nicht zurückgewonnen, d.h. kein aufwendiger Kreislauf und kein Wärmetauscher sind notwendig. Die Kühlwirkung ist dadurch jedoch beschränkt.The cooling with a gas is associated with less effort, because the gaseous cooling medium just have to cool on the Be directed component and flow around this. Often the gas does not recovered i.e. no complicated circuit and no heat exchanger are necessary. The cooling effect is limited by this.

Die maximale Wärmemenge, die abgeführt werden kann, ist durch die Formel geregelt: Q = αSDt wobei S eine Wärmeübergangsfläche darstellt, D_t ist die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Medium und α (alpha) ist ein Wärmeübergangskoeffizient, der typisch in den folgenden Bereichen liegt: α = 1000 – 10000 W K–1 m–2 für Wasser, α = 10 – 100 W K–1 m–2 für Luft. The maximum amount of heat that can be dissipated is regulated by the formula: Q = αSD t where S represents a heat transfer surface, D _t is the mean temperature difference between the component and the medium, and α (alpha) is a heat transfer coefficient typically in the following ranges: α = 1000 - 10000 WK -1 m -2 for water, α = 10 - 100 WK -1 m -2 for air.

Kurze Darstellung der ErfindungShort illustration the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, effizientes Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines Abgasturboladers zu schaffen.Of the Invention is based on the object, efficient method for Cool to provide the compressor wheel of an exhaust gas turbocharger.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention this object is achieved with the features of claim 1.

Auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdichterrades wird eine Kühlflüssigkeit aufgebracht. Die Kühlflüssigkeit verdampft aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit sinkt und die gekühlte Flüssigkeit übt damit eine kühlende Wirkung auf das Verdichterrad aus.On the coming into contact with the gaseous medium to be compressed Surface of the rotating compressor wheel, a cooling liquid is applied. The coolant at least evaporates due to the high temperatures of the compressor wheel partially. The temperature of the coolant sinks and the cooled Liquid exercises with it cooling Effect on the compressor wheel.

Vorteilhafterweise wird die Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche des Verdichterrades aufgebracht, indem die Kühlflüssigkeit stromauf des Verdichterrades dem gasförmigen Medium zugeführt wird.advantageously, the coolant will be on the surface the compressor wheel applied by the cooling liquid upstream of the compressor wheel the gaseous Medium supplied becomes.

Bereits mit Zugabe von kleinsten Mengen Flüssigkeit (im Bereich 1 bis 3%) kann der Wärmeübergangskoeffizient α zwischen dem Verdichterrad und der Strömung wesentlich erhöht werden. Im extremen Fall kann α sogar negativ werden, d.h. die Wärme fliesst von dem kälteren Bauteil in die wärmere Strömung.Already with the addition of smallest amounts of liquid (in the range 1 to 3%), the heat transfer coefficient α can be between the compressor wheel and the flow significantly increased become. In the extreme case, α can even become negative, i. the heat flows from the colder Component in the warmer Flow.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further Advantages result from the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Im folgenden wird anhand einer Figur das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.in the The following is a method of the invention with reference to a figure explained in more detail.

Die Figur zeigt schematisch die erfindungsgemässe Kühlung an einem Verdichterrad.The FIG. 1 shows schematically the cooling according to the invention on a compressor wheel.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to execute the invention

Ein Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem Verdichter und einer Abgasturbine. Der Verdichter umfasst hauptsächlich ein Gehäuse und ein im Gehäuse auf einer Welle drehbar angeordnetes Verdichterrad. Das Gehäuse umgibt einen Anströmkanal, durch welchen die Luft als zu verdichtendes Medium auf das Verdichterrad geführt wird. Durch Schaufeln auf dem Verdichterrad wird die Luft komprimiert und anschliessend durch einen Abströmkanal einem Brennstoffmotor zugeführt.One Exhaust gas turbocharger consists mainly of a compressor and an exhaust gas turbine. The compressor includes mainly a housing and one in the case on a shaft rotatably mounted compressor wheel. The housing surrounds an inflow channel, through which the air as a medium to be compressed on the compressor wheel guided becomes. The air is compressed by blades on the compressor wheel and then through a discharge channel a fuel engine fed.

Im erfindungsgemässen Verfahren wird dem zu verdichtenden Medium stromauf des Verdichterrades, also bevor die Strömung das Verdichterrad erreicht und demzufolge noch unverdichtet ist und eine entsprechend tiefe Temperatur aufweist, eine verdampfungsfähige Kühlflüssigkeit zugegeben.in the invention Method is the medium to be compressed upstream of the compressor wheel, so before the flow reached the compressor and therefore is still uncompacted and a correspondingly low temperature, a vaporizable cooling liquid added.

Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich um Wasser oder ein Wassergemisch. Vorteilhafterweise wird die Kühlflüssigkeit mittels mindestens einer Düse als Nebel aus vielen, sehr feinen Tröpfchen in den Strömungskanal eingedüst. Die Tröpfchen weisen vorteilhafterweise einen Durchmesser kleiner als 20 Mikrometer auf, mit speziellen Düsen lassen sich sogar Tröpfchen mit einem Durchmesser unter 3 Mikrometer erzeugen. Je feiner die Tröpfchen sind, desto besser ist die Verdampfungsfähigkeit.The coolant is water or a mixture of water. Advantageously, the cooling liquid is injected by means of at least one nozzle as a mist of many, very fine droplets in the flow channel. The droplets advantageously have a diameter of less than 20 microns, with special nozzles can even produce droplets with a diameter of less than 3 microns. The finer the droplets are, the better the evaporation ability.

Kurz nach der Eindüsung, findet aufgrund der grosse Reibungswärme erzeugenden Vermischung mit der starken Strömung eine teilweise Verdampfung der Tröpfchen statt, welche die Temperatur des eingedüsten Flüssigkeitsnebels senkt.Short after injection, due to the high friction heat generating mixing with the strong current a partial evaporation of the droplets takes place, which is the temperature of the injected liquid mist lowers.

Anschliessend wird die weitere Verdampfung in der Strömung stark verlangsamt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Strömung und den mitgeschleppten Tröpfchen sehr klein wird. Demzufolge bekommen die Tröpfchen zu wenig Wärme von der Strömung, um signifikant weiter zu verdampfen.Subsequently the further evaporation in the flow is slowed down, because the speed difference between flow and the entrained droplet gets very small. As a result, the droplets get too little heat from the flow, to evaporate significantly further.

Das Verdichterrad muss die Verbrennungsluft für den Motor möglichst hoch verdichten. Obwohl die Luft durch die Verdichtung erwärmt wird, ist aufgrund der schnellen Hauptströmung in den Verdichterkanälen die statische Temperatur in den Verdichterkanälen nicht besonders hoch ist. Allerdings fliesst Wärme, welche sich durch die Verzögerung und die intensive Reibung an der Rückseite des Verdichterrades bildet, von der Rückseite durch das Material des Verdichterrades und wird über die Oberfläche in die Hauptströmung abgegeben.The Compressor wheel must the combustion air for the engine as possible high density. Although the air is heated by the compression, is due to the fast main flow in the compressor channels the static temperature in the compressor ducts is not particularly high. However, heat flows, which through the delay and the intense friction on the back of the compressor wheel forms, from the back through the material of the compressor wheel and is discharged through the surface in the main flow.

Wenn, wie in der Figur dargestellt, die Tröpfchen 21 in die Nähe oder an die Wand des Verdichterrades 1 kommen, werden sie in der Grenzschicht gebremst (a) und können einen dünnen Film 22 bilden. Dieser Film aus der eingedüsten Kühlflüssigkeit nimmt Wärme einerseits vom heissen Verdichterrad auf (e) und andererseits reibungsbedingt von der Hauptströmung 3, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Hauptströmung und dem Bereich des Films viel höher ist (b). Aufgrund dieser Wärmeaufnahme wird zumindest ein Teil des Filmes 23 durch Verdampfung (c) in die Strömung 3 gasförmig abgetragen. Der nicht verdampfte Teil des Flüssigkeitsfilmes 24 wird durch die grossen, zentrifugal wirkenden Kräfte wieder in die Strömung abgegeben (d). Die Verdampfung hat eine kühlende Wirkung auf den Film und auf die Oberfläche des Verdichterrades. Die Oberflächentemperatur liegt im Bereich der sogenannten "wet bulb" Temperatur, d.h. die Temperatur, die ein angefeuchtetes Thermometer in der Strömung misst, und welche tiefer ist als die Temperatur der Strömung. Die eingedüste Flüssigkeit und der allenfalls entstehende Wasserfilm führt zu einer wesentlichen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten α zwischen dem Bauteil und der Strömung. Im extremen Fall kann α sogar negativ werden, d.h. die Wärme fliesst dann von dem kälteren Bauteil in die wärmere Strömung.If, as shown in the figure, the droplets 21 near or to the wall of the compressor wheel 1 come, they are braked in the boundary layer (a) and can make a thin film 22 form. This film from the injected cooling liquid absorbs heat from the hot compressor wheel on the one hand (e) and on the other hand from the main flow due to the friction 3 since the difference in velocity between the main flow and the area of the film is much higher (b). Due to this heat absorption is at least a part of the film 23 by evaporation (c) into the flow 3 removed in gaseous form. The unevaporated part of the liquid film 24 is released back into the flow by the large, centrifugally acting forces (d). The evaporation has a cooling effect on the film and on the surface of the compressor wheel. The surface temperature is in the range of the so-called "wet bulb" temperature, ie the temperature, which measures a moistened thermometer in the flow, and which is lower than the temperature of the flow. The injected liquid and the possibly resulting water film leads to a substantial increase in the heat transfer coefficient α between the component and the flow. In the extreme case, α can even become negative, ie the heat then flows from the colder part into the warmer flow.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist aus Sicht der Kühlwirkung extrem effizient. Trotz des grossen Flüssigkeits- und Energieverbrauchs für die Eindüsung ist die Anwendung des erfindungsgemässen Kühlverfahrens insbesondere bei Verdichtern von Turbolader interessant, da das Verdichterrad mit anderen Verfahren sehr schwierig zu kühlen ist. Zudem verbessert die Abkühlung der Hauptströmung den Verdichterwirkungsgrad und der Wasserdampf reduziert die NOx-Emissionen des mit dem Turbolader verbundenen Verbrennungsmotors.The invention Method is from the perspective of cooling effect extremely efficient. Despite the great liquid and energy consumption for the injection is the application of the inventive cooling method interesting especially in compressors of turbochargers, since the Compressor wheel with other methods is very difficult to cool. In addition, the cooling improves the mainstream the Compressor efficiency and water vapor reduces NOx emissions of the internal combustion engine connected to the turbocharger.

Die Verdichterräder der gewöhnlichen Turbolader sind aus wirtschaftlichen Gründen aus Aluminium. Die Zeitstandfestigkeit des Materials nimmt sehr stark mit der Temperatur ab, was heute die Einsatzgrenze von Aluminiumverdichter auf Druckverhältnisse von etwa 5 beschränkt. Wird kurz vor dem Radeintritt Wasser in die Luftströmung eingedüst, kann man eine erhebliche Senkung der Materialtemperatur erzeugen, die das Erreichen von Druckverhältnisse bis 6 oder 7 ohne den Wechsel auf mitunter mehrfach teurere Materialien, wie beispielsweise Titan erlaubt.The compressor wheels the ordinary one Turbochargers are made of aluminum for economic reasons. The creep rupture strength of the material decreases very much with the temperature, what today the application limit of aluminum compressor to pressure conditions limited by about 5. If water is injected into the airflow shortly before the wheel entry, it can to produce a significant reduction in material temperature, the the achievement of pressure conditions until 6 or 7 without switching to sometimes more expensive materials, such as titanium allowed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Verdichterradcompressor

2121

Flüssigkeitstropfenliquid drops

2222

Flüssigkeitsfilm liquid film

2323

Dampfsteam

2424

Flüssigkeitstropfenliquid drops

Claims (5)

Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdichterrades eine Kühlflüssigkeit aufgebracht wird, wobei die Kühlflüssigkeit aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise verdampft, die Temperatur der Kühlflüssigkeit durch die Verdampfung sinkt und die gekühlte Flüssigkeit damit eine kühlende Wirkung auf das Verdichterrad ausübt.A method of cooling the compressor wheel of a turbocharger, characterized in that on the coming to be compressed, gaseous medium in contact surface of the rotating compressor wheel, a cooling liquid is applied, wherein the cooling liquid at least partially evaporated due to the high temperatures of the compressor wheel, the temperature of the cooling liquid due to evaporation, the cooled liquid thus exerts a cooling effect on the compressor wheel. Kühlverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsfilms auf die Oberfläche aufgebracht wird.cooling method according to claim 1, characterized in that the cooling liquid in the form of a liquid film on the surface is applied. Kühlverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche des Verdichterrades aufgebracht wird, indem die Kühlflüssigkeit stromauf des Verdichterrades dem gasförmigen Medium zugeführt wird.cooling method according to one of the claims 1 or 2, characterized in that the cooling liquid to the surface of Compressor wheel is applied by the cooling liquid upstream of the compressor wheel the gaseous Medium is supplied. Kühlverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form von Tröpfchen in den Strömungskanal eingedüst wird, und dass die Grösse der Tröpfchen derart gewählt wird, dass die eingedüste Flüssigkeit vor und während dem Verdichtungsvorgang im gasförmigen Medium nicht vollständig verdampft, so dass die Kühlflüssigkeit in flüssigem Zustand in Kontakt mit der Oberfläche des Verdichterrades kommt.Cooling method according to claim 3, characterized in that the cooling liquid is injected in the form of droplets in the flow channel, and that the size of the droplets selected such is that the injected liquid before and during the compression process in the gaseous medium is not completely evaporated, so that the cooling liquid in the liquid state comes into contact with the surface of the compressor wheel. Kühlverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form von Tröpfchen mit einem maximalen Durchmesser von 20 Mikrometer in den Strömungskanal eingedüst wird.cooling method according to claim 4, characterized in that the cooling liquid in the form of droplets with a maximum diameter of 20 microns in the flow channel is injected.