WO2019052760A1 - Verdichter für eine aufladevorrichtung einer brennkraftmaschine und aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Verdichter für eine aufladevorrichtung einer brennkraftmaschine und aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine Download PDF

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WO2019052760A1
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compressor
throttle
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air supply
flow
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PCT/EP2018/071985
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Mathias BOGNER
Christoph Schäfer
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Continental Automotive Gmbh
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    • F04D29/681—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing by influencing boundary layers especially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/685—Inducing localised fluid recirculation in the stator-rotor interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/50—Inlet or outlet
    • F05D2250/51—Inlet

Definitions

  • Compressor for a charging device of an internal combustion engine and charging device for an internal combustion engine
  • the invention relates to a compressor for a charging device of an internal combustion engine and a charging device for an internal combustion engine.
  • Charging devices such as turbochargers are increasingly used for
  • the operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase a pressure in an intake tract of the internal combustion engine and thus to effect a better filling of a combustion chamber of the internal combustion engine with air-oxygen.
  • more fuel such as gasoline or diesel
  • An exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust gas tract of the internal combustion engine, a fresh air compressor arranged in the intake tract and a rotor bearing arranged therebetween.
  • the exhaust gas turbine has a Turbi ⁇ nengephase and disposed therein, senstrom driven by the turbine impeller Abgasmas-.
  • the fresh air ⁇ compressor includes a compressor housing and it is ⁇ arranged, a boost pressure anabolic compressor impeller.
  • the turbine runner and the compressor runner are rotationally fixed on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, thus forming the so-called turbocharger rotor.
  • the rotor shaft extends axially between turbine runner and compressor runner through the arranged between the exhaust turbine and fresh air compressor Rotor bearing and is rotatably mounted in this, with respect to the Läuferwel ⁇ lenachse, radially and axially.
  • driven by the exhaust gas mass flow turbine impeller drives the compressor impeller via the rotor shaft, whereby the pressure in the intake tract of the internal combustion engine, based on the
  • Air-oxygen is effected.
  • the compressor is characterized in its operating behavior by a so-called compressor map, which describes the pressure build-up on the mass flow rate for different compressor speeds or peripheral speeds.
  • a stable and usable map of the compressor is limited by the so-called surge limit to low flow rates, by the so-called Stopfalia towards higher flow rates and structural mechanics by the maximum speed limit.
  • a compressor is selected with a compression map that is as favorable as possible for the internal combustion engine.
  • the compressor should have a minimum moment of inertia.
  • the vane pusher shifts the entire compressor map towards smaller and larger throughputs by adjusting vane angles and inducing a pre-puff into or against the compressor wheel spin direction.
  • the adjustment of the Vorleitapparats represents a filigree, complicated and expensive solution.
  • the cross-sectional reduction of compressor inlet displacement moves the compressor map to smaller flow rates by reducing the inlet area by closing the structure immediately prior to the compressor.
  • the measures release as much as possible the entire inlet cross-section and thus do not influence or displace the map in any way or only marginally.
  • Possible, such solutions are described in ⁇ example in US 2016/265424 AI or DE 10 2011 121 996 AI.
  • the solid recirculation channel is a passive solution. It widens the usable map area of the compressor without fundamentally shifting its characteristic map. He represents in relation to the Vorleitapparat and the variable cross-section reduction described a much cheaper, but at the same time less efficient solution.
  • a so-called diverter valve which opens a bypass from the compressor outlet to the compressor inlet in case of sudden decrease of the charge air mass flow through the engine and keeps the compressor in the stable map area right of the surge line.
  • a combination of active measures, such as the variable Vorleitapparat and the diverter valve, is conceivable, but unusual.
  • An object of the invention is to provide a concept for a charging device which contributes to an efficient operation of the charging device.
  • a compressor such as a centrifugal compressor, for a supercharger of an internal combustion engine is described.
  • the compressor has a compressor housing, in which a compressor wheel is arranged rotationally fixed on a rotor shaft. Further, an air supply passage for guiding an air mass flow is provided on the compressor wheel.
  • a recirculation passage is formed in the compressor housing, which has a first passage opening downstream of a compressor inlet arranged in the air feed passage and a second passage opening upstream of the compressor wheel entrance.
  • the compressor has a variable throttle arranged in the air supply duct for setting a flow cross section for the air mass flow. The throttle is adjustable between an open position, in which a maximum flow cross-section, for example of the air feed channel, is released, and a closed position, in which a minimum flow cross-section, for example of the air feed channel, is released.
  • the throttle is in the
  • the described compressor for a charging device provides a variable recirculation channel for map stabilization.
  • the variability of the recirculation channel is realized via a variable throttle located directly upstream of the second channel opening and placed in the inlet region of the compressor, relative to a rotor axis of rotation of the rotor shaft.
  • the throttle makes it possible to limit both the inlet mass flow of the compressor and at the same time to substantially shield the mass flow flowing via the recirculation passage from a main flow of the air mass flow.
  • the throttle thus acts as a masking of the Rezirkulati ⁇ onskanals and in addition as a masking of the compressor wheel.
  • the intake throttle With increasing throttling, the intake throttle simultaneously assumes the task of shifting the map to smaller mass flows. This makes it possible to extend the operating range of the compressor beyond the action of a fixed recirculation channel without throttling and in addition the
  • the last aspect makes it possible to dispense with a separate diverter valve.
  • the placement of the throttle described causes a partial explanatory front ⁇ connection between a pure map displacement by throttling of the compressor wheel and a pure stabilizing the compressor characteristic map by the Rezirkulati- onskanal.
  • the recirculation causes a higher pressure build-up of the compressor compared to a pure throttling with placement of the diaphragm directly at the compressor inlet.
  • the throttle therefore essentially fulfills three tasks: first, the pure throttling, second, the targeted intensification of the recirculation in relevant operating points of the compressor or the charging device and, thirdly, the separation of the flow of the compressor wheel from the recirculating flow.
  • the shape of the throttle cross section for setting the Strö ⁇ flow cross-section may vary. There are for example circular throttle cross sections, example ⁇ , in the form of a concentric circle, but other shapes, such as a star, a flower or a polygonal shape, bulged or wavy cross sections are possible.
  • Throttle does not act like a trim reduction (ratio of a wheel entry to a wheel outlet diameter) of the compressor with stagnation of much of the flow within the compressor wheel, but increases the recycle flow via the characteristic stabilizing action, which has an advantageous effect on the pressure build-up in the compressor.
  • the recirculation is typically in to the air supply passage around ⁇ formed in the compressor housing channel or annular channel, through which a return flow of already flowed into the compressor air into the inlet passage region of the compressor housing is provided in front of the compressor wheel.
  • flow guide vanes are optionally arranged, which are separated from one another by intermediate spaces for flowing through the air mass flow.
  • the flow guide vanes are designed, for example, parallel to the rotor axis of rotation or streamlined at a certain angle to the rotor axis of rotation.
  • the flow guide vanes serve, for example, also for the storage or fixing of one or more wall parts of the compressor housing, which delimit the recirculation channel. The fixation takes place in ⁇ example by positive engagement.
  • the recirculation flows from behind the Ver Whyrradeintritt and upstream of the compressor wheel inlet ⁇ back into the air supply duct.
  • the compressor wheel inlet is the axial region, with respect to the rotor axis of rotation, of the compressor wheel, which has an impeller blading and is first flowed through by the air mass flow in the flow direction.
  • it is a formed in a Meridionalansicht leading edge of the compressor wheel, which is formed by the Laufradbe ⁇ blading.
  • the maximum cross section which is adjustable by the throttle, may be less than a maximum cross section in another area of the air supply duct downstream or upstream of the throttle, depending on the embodiment.
  • the air supply passage is formed in the compressor.
  • the air supply duct is at least partially formed by the compressor housing, an intake manifold and / or other components of the compressor.
  • the throttle is arranged upstream of the second channel opening, at least in the closed position upstream.
  • the reactor can, for example, as a movable and rotatable aperture with an opening or as a the flow cross section from the outside constricting iris, be formed as described by ⁇ following.
  • a throttle is conceivable, which allows a variable masking of the recirculation channel with the separation of the main flow of the air mass flow as indicated above.
  • a scissor mechanism could be provided.
  • the throttle is designed as a pinhole, in which a disc element is mounted with an opening about a pivot axis in the air supply passage and between the open position and the closed position, in which the minimum flow cross section through the opening is rotatable.
  • the disk element which is, for example, annular, has the opening through which the air mass flow flows in the closed position onto the compressor wheel and is thus throttled.
  • the open position the maximum flow cross-section which corresponds, for example, a flow ⁇ cross section of the air-introducing duct is substantially completely released, so that the compressor map is not or hardly influenced by the disc member.
  • ⁇ We sentlichen released means that almost the entire
  • Flow cross-section of the air supply duct is used to flow against the compressor wheel, wherein the disk element in the open position, for example, streamlined, flows around.
  • the disc element is arranged so advantageous that this is in the open position as no or only a minor obstacle to the air mass flow.
  • the disk element is in terms of shaping designed so that this in the closed position the air ⁇ mass flow substantially only through the opening on the
  • the disk element closes radially outward with the air supply duct so that the air mass flow can only flow radially inward via the opening.
  • the disk element is for example mounted rotatably with respect to a pivot axis in the air supply channel.
  • the pivot axis is perpendicular to a rotor axis of rotation of the rotor shaft.
  • the pivot axis intersects the rotor axis of rotation.
  • the disk element In the open position, the disk element, for example, parallel to the rotor axis of rotation.
  • the rotor axis of rotation coincides in the open position with the disk element, such as its main extension plane.
  • the opening of the disc element is arranged centrally, for example.
  • it is a central, approximately circular opening.
  • the opening is arranged in the closed position, for example, coaxially to the rotor axis of rotation.
  • opening shapes such as oval, flower-shaped or the like, conceivable.
  • the throttle is by a
  • Iris diaphragm mechanism formed, which has a plurality of fins, which are movable between the open position and the closed position for adjusting a diaphragm opening such that the
  • Flow cross section for the air mass flow to flow against the compressor is variably adjustable.
  • Irisblendenme ⁇ mechanism the flow cross-section corresponding to the aperture, narrowed from outside to inside.
  • the Irisblendenme ⁇ mechanism is arranged in both the open and closed position upstream of the opening of the channel Rezir- kulationskanals.
  • Such a compressor provides a variable iris diaphragm mechanism which is typically located directly in front of the compressor inlet for map shifting.
  • Iris diaphragm mechanism can also be referred to as iris diaphragm or iris throttle and has the task of adjusting the inlet mass flow of the compressor by stepless change of the flow cross section.
  • the iris throttle optionally optionally performs the function of a diverting-air valve, since it can prevent pumping of the compressor. This makes it possible to actively influence the operating range of the compressor and also to keep the compressor in a stable operating point in the event of sudden load shedding of the engine.
  • the iris mechanism has a plurality of mutually displaceable by rotation in ⁇ lamellae.
  • the iris diaphragm mechanism is mounted on or in a fixed housing.
  • Each lamella is supported on the one hand in or on the stationary housing and on the other hand on a movably mounted adjusting ring.
  • the housing is, for example, a separate housing of the iris diaphragm mechanism, part of the compressor housing of the charging device or designed in several parts, for example through a part of the compressor housing and a separate, additional housing part.
  • the housing is, for example, annular or has an annular section.
  • the housing may also be a fixed, annular housing element.
  • the slats are synchronized via the adjusting ring and moved together. By rotation of the adjusting ring and the rotation of the slats is triggered.
  • the adjusting ring itself is controlled and moved by an actuator.
  • the actuator is for example an electrically or pneumatically operated actuator.
  • a lamella has a substantially plate-shaped and / or flat lamella base body, which is used for the shielding of the Air mass flow and thus the adjustment of the aperture is used.
  • a lamella For mounting on the housing and adjusting ring, a lamella has approximately two holding elements (also actuating elements), which are arranged, for example, in each case in a fastening section of the lamella base body.
  • a holding element is designed for example as a holding pin or pin-shaped holding body.
  • a retaining member typically extends normal to a main plane of extension Lamellengrundkör ⁇ pers.
  • the attachment portions may be formed, for example, as a first and a second end, or as a first or second end portion of the respective lamella.
  • the two fastening sections of a lamella typically have ⁇ as same wall thicknesses.
  • the flow cross-section of the air supply channel in the open position, is substantially completely released.
  • the throttle in the open state is completely removed from the flow of the air mass flow in the air supply channel (main flow), so that negative effects on throughput and compressor efficiency are minimized in particular high mass flows.
  • three embodiments are described, which relate to parameters for an optional, particularly advantageous arrangement of the throttle relative to the recirculation channel.
  • the embodiments, taken alone or in combination, contribute to enabling a particularly efficient operation of the compressor and thus of the charging device.
  • the aforementioned benefits and features are particularly ⁇ he made possible.
  • a ratio of the area of the minimum flow ⁇ cross section to the area of the flow cross section of the air supply duct at Verêtrradeintritt in the closed position of the throttle is a value less than or equal to 0.8.
  • the throttle in the closed position, is a ratio of an axial distance with respect to a Rotor axis of rotation of the rotor shaft, between the throttle and one of the throttle in the closed position facing end face of the rotor shaft to a diameter of the maximum flow ⁇ cross-section in the open position, a value less than 0.6.
  • the throttle in the closed position, is a ratio of an axial distance, with respect to a rotor axis of rotation of the rotor shaft, between the throttle and the second channel opening to a diameter of a flow cross-section of the air supply channel at an axial position, relative to a rotor axis of rotation of the rotor shaft, the second channel opening has a value less than 0.3.
  • the throttle is designed such that in the open position of the recirculation passage, in particular the second passage opening, is closed. As a result, a flow through the recirculation channel is prevented, which leads to reduced pressure losses in comparison to the unclosed recirculation channel, in particular in a Be ⁇ operating range of the compressor in the map center.
  • the throttle is designed such that in the open position, the maximum flow cross-section of the air supply duct and the recirculation passage are released, wherein the throttle is adjustable to a further open position in which the maximum flow cross-section of the air supply channel released, but the recirculation channel is closed.
  • the air mass flow through the second channel opening can flow into the recirculation and enter on the first channel ⁇ opening in the compressor.
  • This allows the above-described increase in compressor mass flow near the plug boundary.
  • the throttle in the other open position analogous to the above Aus ⁇ guide, resulting in lower pressure losses and consequently a better compressor efficiency compared to a variant with non-closable recirculation are possible.
  • a plurality of flow guide vanes are arranged in the recirculation channel, whose orientation is variable with respect to a rotor axis of rotation of the rotor shaft adjustable. This allows optimum flow of the flow ⁇ guide vanes when air flows through the recirculation passage.
  • total pressure losses are minimized by an alignment of the blades parallel to the main flow in the air supply duct, approximately parallel to the rotor axis of rotation.
  • the flow vanes are aligned parallel to a main flow, while in operation near the surge line, they are oriented obliquely, such as at a predetermined angle, for optimum flow.
  • the adjustment of the flow guide vanes takes place, for example, by means of a pneumatic or electric actuator.
  • a supercharger for an internal combustion engine is disclosed, the rotor bearing having a bearing housing in which a rotor shaft is rotatably mounted, and a compressor according to one of the preceding embodiments.
  • the charging device is an exhaust gas turbocharger or an electromotive-operated loader.
  • the charging device essentially enables the aforementioned advantages and functions.
  • the previously described compressor in all embodiments both for an exhaust gas turbocharger, in which, as explained above, a turbine is driven by an exhaust gas mass flow, or for an electric motor-operated supercharger.
  • An electromotive-operated charger or a charging device with an electromotive-operated charger is also referred to as a so-called e-booster or e-compressor.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a charging device with a compressor with iris diaphragm mechanism
  • FIGS. 2a to 2c are schematic top views of the Irisblendenme ⁇ mechanism in three different states
  • Figures 3 to 7 are schematic cross-sectional views of a
  • Figures 8 to 10 are schematic cross-sectional views of a
  • Figures 11 to 13 are schematic cross-sectional views of a compressor with iris mechanism and Rezir- kulationskanal according to another execution ⁇ example of the invention.
  • Figures 14 to 18 are schematic cross-sectional views of a
  • FIGS 19A to 19C are three schematic views of screens
  • FIGS. 20A to 20C show three different operating states of a
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary charging device 1 in sectional view, which comprises a compressor 30 (in this case a radial compressor), a rotor bearing 40 and a drive unit 20.
  • the compressor 30 has an optional thrust recirculation valve (not shown) and on
  • Air mass flow LM is also indicated by arrows.
  • a so-called supercharger 10 of the charging device 1 has a compressor impeller 13 (also called compressor impeller) and a rotor shaft 14 (also called shaft).
  • the loader rotor 10 rotates in operation about a rotor axis of rotation 15 of the rotor shaft 14.
  • the rotor axis 15 and at the same time the loader axis 2 are represented by the drawn center line and indicate the axial orientation of the on ⁇ loading device 1.
  • the charger rotor 10 is with his Rotor shaft 14 by means of two radial bearings 42 and a thrust washer 43 stored. Both the radial bearing 42 and the thrust washer 43 are supplied via oil supply channels 44 of an oil end 45 with lubricant.
  • a charging device 1 As a rule, a charging device 1, as shown in FIG. 1, has a multi-part construction. There are one Housing of the drive unit 20, a can be arranged in the intake of the Ver ⁇ combustion engine compressor housing 31 and provided between the housing of the drive unit 20 and compressor housing ⁇ housing 31 bearing housing 41 with respect to the common loader axis 2 arranged side by side and assembly ⁇ technically connected to each other.
  • a further structural unit of the charging device 1 is the loader rotor 10, which has at least the rotor shaft 14 and the compressor rotor 13 arranged in the compressor housing 31 with an impeller blading 131.
  • the compressor impeller 13 is disposed on one end of the rotor shaft 14 and rotatably connected thereto.
  • the rotor shaft 14 extends in the direction of the loader axis 2 axially through the bearing housing 41 and is rotatably mounted therein axially and radially about its longitudinal axis, the rotor axis of rotation 15, wherein the rotor axis of rotation 15 is in the loader axis 2, that coincides with this.
  • the compressor housing 31 has an air supply duct 36, which optionally has a suction pipe connecting piece 37 for connection to the air suction system (not shown) of the internal combustion engine and in the direction of the loader axis 2 to the axial end of the compressor impeller 13 to.
  • the air supply duct 36 can also be a part of an intake manifold and thus not part of the compressor housing 31.
  • the air supply channel 36 includes, for example on to the compaction ⁇ tergephase 31 and forms a compressor inlet 36a for guiding the air mass flow LM to the compressor wheel. 13
  • the compressor housing 31 usually has a ring-shaped arranged about the loader axis 2 and the compressor impeller 13, helically widening away from the compressor impeller 13 away annular channel, a so-called spiral channel 32 on.
  • This spiral channel 32 has a gap opening extending at least over part of the inner circumference
  • the so-called diffuser 35 on, in the radial Direction directed from the outer periphery of the compressor impeller 13 directed away into the spiral channel 32 and through which the
  • the spiral channel 32 further has a tangentially outwardly directed HeilabGermankanal 33 with an optional distri ⁇ ler connector 34 for connection to an air manifold (not shown) of an internal combustion engine.
  • the air mass flow LM is passed under increased pressure in the air manifold of the engine.
  • the drive unit 20 is not further detailed in FIG. 1 and can be embodied both as an exhaust gas turbine and as an electromotive drive unit, which the charging device 1 in one case to an exhaust gas turbocharger and in the other case to an electromotive-operated loader as an e-booster or E Compressor denotes power.
  • a turbo would be opposite of the compressor wheel 13, for example, (also referred to the turbine wheel) binenlaufrad provided, which would be placed rotationally fixed on the rotor shaft 14 and driven by a gas mass flow from ⁇ .
  • an iris diaphragm mechanism 50 is additionally or alternatively arranged to a diverter valve (see FIG. 1) in the air supply duct 36 immediately before a compressor inlet 36a (also compressor inlet) and / or forms at least one
  • the Irisblen ⁇ mechanism 50 is similar in terms of its principle of operation of an iris diaphragm in a camera.
  • the Irisblendenmecha ⁇ mechanism 50 is adapted to at least partially close or open an aperture, so that a flow cross-section for the air mass flow LM for flow of the compressor impeller 13 is variably adjustable at least over a partial region of the flow cross-section.
  • the Iris ⁇ dazzle mechanism 50 enables a map shift for the compressor 30 in which it acts as a variable intake throttle for the compressor wheel 13.
  • FIGS. 2a to 2c schematically show the iris diaphragm mechanism 50 of the charging device 1 in three different operating states.
  • the iris mechanism 50 is fixed to or in the compressor housing, ⁇ 31 and / or forming said at least partially stabilized.
  • the iris diaphragm mechanism 50 is supported on a separate fixed housing for the iris diaphragm mechanism 50.
  • the iris diaphragm mechanism 50 is mounted on or in a multi-part housing, wherein a part of the multi-part housing by the compressor housing 31 and a part by an additional separate hous ⁇ se (-element) is formed.
  • the iris diaphragm mechanism 50 has a bearing ring 68 which is concentric with the compressor inlet 36a in the air supply channel 36, an adjusting ring 53 arranged concentrically therewith and rotatable about a common center with a setting lever 53a and a plurality of disks 52 rotatably mounted about a respective pivot point in the bearing ring 68.
  • the compressor housing 31 or another housing (element) can serve as a bearing.
  • the lamellae 52 have, for example, a plate-shaped lamellar base body and at least one pin-shaped actuating element (not visible here), which is designed to actuate the respective lamella 52, as integral components of the respective lamella 52.
  • the slats 52 are also rotatable and / or displaceable, for example by means of the actuating element, out.
  • the adjusting ring 53 has three grooves 54 (indicated in the figures) for supporting / guiding the slats 52.
  • the slats 52 are synchronized and moved.
  • the adjusting ring 53 is mounted for example on or in the housing.
  • the slats 52 are pivoted radially inwardly and narrow an aperture 55 of the iris diaphragm mechanism 50.
  • FIG. 2a shows the diaphragm opening 55 with a maximum opening width (open position)
  • FIG. 2b shows the diaphragm opening 55 with a reduced opening width
  • Figure 2c shows the aperture 55 with a minimum opening width (closed position).
  • FIGS. 3 to 7 show schematic cross-sectional views of a compressor 30 according to an embodiment of the invention for a charging device.
  • the compressor 30 is suitable, for example, for the charging device 1 described in the introduction (see FIG. 1).
  • FIGS. 3 to 7 show different operating states of the compressor 30.
  • the compressor 30 has a compressor housing 31 and a compressor wheel 13 with an impeller blading 131.
  • the compressor wheel 13 is shown in a meridional view, wherein a compressor inlet 132, which can also be referred to as the compressor inlet edge, is shown.
  • the compressor 30 further includes an air supply passage 36 for directing an air mass flow to the compressor wheel 13.
  • the compressor 30 has the above-described iris diaphragm mechanism 50 as a variable throttle, the illustration being simplified.
  • the optional bearing ring 68 is omitted.
  • the compressor 30 has a recirculation channel 60.
  • the recirculation channel 60 has a first channel opening 61 and a second channel opening 62.
  • the first channel opening 61 is located downstream of the compressor inlet 132, while the second channel opening 62 is located upstream of the compressor inlet 132.
  • the first channel ⁇ opening 61 is fluidly coupled to a continuation of the air supply duct 36, such as a main channel in the compressor housing 31.
  • the second channel opening 62 is fluidically coupled to the air supply channel 36.
  • one or more flow guide vanes 64 are optionally arranged in the recirculation channel 60.
  • the iris diaphragm mechanism 50 is arranged upstream of the recirculation channel 60, in particular of the second channel opening 62, such that, in addition to the throttling of the air mass flow for the compressor 13, due to the throttling function at the same time the mass flow flowing via the recirculation channel 60 can be shielded from the main flow.
  • 3 shows a completely closed state of the Irisblendenmecha ⁇ mechanism 50 is shown.
  • Equation 1 ⁇ 08
  • Ap, min corresponds to an area of the minimum flow cross section (aperture 55) of the iris diaphragm mechanism
  • rp, min corresponds to the radius of the minimum flow cross section corresponding circular surface of the Irisblen ⁇ denmechanismus 50 in the closed position.
  • Iris diaphragm mechanism 50 in particular of the fins 52, and an end surface 63 of the rotor shaft 14 facing the iris diaphragm mechanism 50.
  • r p max corresponds to the radius of a corresponding to the maximum flow cross-section Strö ⁇ of the air-introducing duct 36 circular area of the iris mechanism 50 is in the open position ⁇ .
  • x corresponds to the clear axial distance between the iris diaphragm mechanism 50, in particular the lamellae 52, and the second channel opening 62 of the recirculation channel 60, wherein the distance is related to an axial center of the second channel opening 62 with respect to the rotor axis of rotation 15.
  • Air supply duct 36 at the axial position of the second channel opening 62, in turn relative to the axial center.
  • FIG. 4 shows the compressor 30 in the fully closed state of the iris diaphragm mechanism 50, wherein the compressor 30 is operated near the surge line in the compressor map.
  • the recirculation channel 60 By masking the recirculation channel 60, the recirculating air mass flow LMR increases, whereby the operating point is further stabilized. Due to the closed position operating points are also possible with even further reduced air mass flow LM.
  • the recirculation through the recirculation duct 60 is thus increased further compared to an embodiment with a simple recirculation without effective panel (see Figure 5) and stabilizes the respective Be ⁇ operating point in the compressor map accordingly.
  • Figure 5 shows the compressor operation near the surge line in the compressor map with iris diaphragm mechanism 50 in a fully open position.
  • a mass air flow flows LM into the compressor wheel 13, wherein additionally a recirculation mass flow LMR flows over the Re ⁇ circulation channel 60 via the second conduit opening 62 back into the air supply duct 36th
  • Figure 6 shows a state of the compressor 30 and the iris diaphragm mechanism ⁇ 50 in the open position.
  • the compressor 30 is operated near an ideal point (best point) in the compressor map, with virtually no recirculation taking place via the recirculation channel 60.
  • the inlet cross section for the compressor wheel 30, see radius ry in Figure 3 is thus almost completely occupied by the main flow of the air mass flow LM.
  • a recirculation mass flow LMR begins to form in the same direction of the main flow LM (see FIG. 7).
  • the air mass flow LM flows partly via the second Ka ⁇ nalö réelle 62 and the recirculation channel 60 through the first channel opening 61 in the compressor wheel. 13 This increases the total mass flow of the compressor 30, since the narrowest
  • Cross-section in the channels of the impeller blading 131 is bypassed at the compressor inlet 132.
  • the narrowest cross-section defines the maximum possible compressor mass flow through the channels of the impeller blading 131.
  • FIGS. 8 to 10 show a compressor 30 according to a further exemplary embodiment.
  • the compressor 30 in turn has an iris diaphragm mechanism 50 and a recirculation channel 60.
  • the compressor 30 is again suitable for a charging device 1 as described in FIG.
  • the second channel opening 62 can be actively sealed.
  • Figure 9 shows a half-open position of the Irisblendenmecha ⁇ mechanism 50, wherein the recirculation channel 60 still fully ⁇ constantly released, the shadowing by the Irisblenden- Mechanism 50 and thus the gain of the recirculation are reduced.
  • This operating variant is suitable, for example, for the operating range near the surge line.
  • the iris diaphragm mechanism 50 For operation in the center of the compressor map, the iris diaphragm mechanism 50 is moved to the open position, whereby the recirculation passage 60 (see FIG. 8) is completely closed. A flow through the recirculation channel 60 is thus prevented, which leads to reduced pressure losses compared to an unclosed recirculation channel in this operating range.
  • Figures 11 to 13 show a further embodiment of a compressor 30, wherein, in contrast to previously described embodiments Figures 8 to 10 of the iris diaphragm mechanism 50 in addition to a first open position in a second, further
  • FIG. 13 shows a state of the iris diaphragm mechanism 50, wherein the closed position is shown, so that the advantages and functions mentioned above are given with regard to the masking of the recirculation channel 60, which is opened again in the example.
  • Figures 14 to 18 show a further embodiment of a compressor 30, which substantially allows the aforementioned advantages and functions, but instead of an iris diaphragm mechanism 50 now has a pivotable pinhole 70 as a variable throttle.
  • the pinhole 70 is as annular disc element 72 executed, which has a circular opening 71 in the middle.
  • the pinhole 70 is rotatably mounted about a pivot axis 73 in the air supply passage 36 on Ver ⁇ sealer housing 31.
  • the pivot axis 73 is aligned perpendicular to the rotor axis of rotation 15.
  • Figure 14 shows the closed position of the pinhole 70 in a compressor operation near the surge line.
  • FIG. 15 shows an intermediate position of the pinhole 70 when transferring it to the open position.
  • FIG. 16 shows an open position of the pinhole 70 in a compressor operation with high mass flows in the vicinity of the plug boundary.
  • Figure 17 shows the open aperture 70 during operation of the Ver ⁇ dichters close to an ideal operating point.
  • FIG. 18 shows the open aperture 70 in operation of the compressor near the plug boundary.
  • Figures 19A to 19C show various apertures 55 for the described iris mechanism 50, with 52 different cross-sections are effected in depen ⁇ dependence of the shape of the fins.
  • Figure 19A shows a circular cross section
  • Figure 19B shows a polygonal cross section
  • Figure 19C shows a wave-shaped cross section.
  • Such cross sections are analogous to the pinhole 70th
  • Figures 20A to 20C relate to a further embodiment of the invention, wherein the in the recirculation channel 60 of a
  • Compressor 30 located Strömungsleitschaufeln 64, which are connected for example via a common ring 65, are shown.
  • the flow guide vanes 64 are variably adjustable in their orientation, so that they occupy a predetermined angle to the rotor axis of rotation 15.
  • the flow vanes 64 extend substantially parallel to the rotor axis of rotation 15, while Figures 20B and 20C show angled orientations.
  • the compressor 30 is, for example, a compressor of the above-described embodiments.

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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 (AI) 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

Beschreibung
Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine und Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine
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 C02_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 Turbi¬ nengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmas- senstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluft¬ verdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin ange¬ ordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf . Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der soge- nannten 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 Läuferwel¬ lenachse, 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 Verbren- nungsmotor 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 spe¬ zifischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.
Die genannten Zielkonflikte könnten durch ein Verdichter-Design gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Träg¬ heitsmoment 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 Betriebsver¬ halten 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 Abgastur- boladers ist die oben genannte Lösung bisher durch Zusatzmaßnahmen, wie einem verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat , Maßnahmen zur Reduktion eines Einlassquerschnitts des Ver¬ dichters oder einem festen Rezirkulationskanal , auch bekannt als Ported Shroud beziehungsweise kennfeidstabilisierende Maßnahme, erreicht worden. Bei den variablen Lösungen wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereiches des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Mo¬ torbetrieb 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 bei¬ spielsweise in der US 2016/265424 AI oder der DE 10 2011 121 996 AI beschrieben. 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.
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 Verdich- terradeintritts 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 ma- ximaler 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 Re- Zirkulationskanal strömenden Massenstrom von einer Hauptströmung des Luftmassenstroms im Wesentlichen abzuschirmen. Die Drossel wirkt folglich wie eine Maskierung des Rezirkulati¬ onskanals 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 vor¬ teilhafte Verbindung zwischen einer reinen Kennfeldverschiebung durch Androsselung des Verdichterrads und einer reinen Stabilisierung des Verdichterkennfelds durch den Rezirkulati- onskanal. Durch die Platzierung der Drossel direkt vor der zweiten Kanalöffnung lassen sich eine Maskierung des Rezir- kulationskanals 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 Rezirku- lation 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 Strö¬ mungsquerschnitts kann unterschiedlich ausfallen. Es sind beispielsweise kreisförmige Drosselquerschnitte, beispiels¬ weise 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 kennfeidstabilisierende Maßnahme, was sich vorteilhaft auf den Druckaufbau im Verdichter auswirkt. Der Rezirkulationskanal ist typischerweise ein um den Luft¬ zuführkanal herum im Verdichtergehäuse ausgebildeter Kanal beziehungsweise Ringkanal, über den eine Rückströmung von bereits ins Verdichterrad eingeströmter Luft in den Ein- trittsbereich 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 Strömungs- leitschaufeln 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 Re- Zirkulationskanal begrenzen. Die Fixierung erfolgt bei¬ spielsweise durch Formschluss. Der Rezirkulationskanal mündet hinter dem Verdichterradeintritt ab und vor dem Verdichter¬ radeintritt 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 Laufradbe¬ schaufelung 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. Bei¬ spielsweise 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 Strö- mungsquerschnitt von außen verengende Irisblende, wie nach¬ folgend 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 Strömungs¬ querschnitt des Luftzuführkanals entspricht, im Wesentlichen vollständig freigegeben, sodass das Verdichterkennfeld nicht oder kaum durch das Scheibenelement beeinflusst wird. Im We¬ sentlichen 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 Luft¬ massenstrom 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 Aus¬ gestaltungen 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 Irisblendenme¬ chanismus wird der Strömungsquerschnitt, der der Blendenöffnung entspricht, von außen nach innen verengt. Der Irisblendenme¬ chanismus ist stromaufwärts vor der Kanalöffnung des Rezir- kulationskanals sowohl der Offen- als auch Schließstellung angeordnet . Ein derartiger Verdichter sieht einen variablen Irisblendenmechanismus vor, der typischerweise direkt vor dem Verdich- tereinlass zur Kennfeldverschiebung angeordnet ist. Der
Irisblendenmechanismus kann auch als Irisblende oder Irisdrossel bezeichnet werden und hat die Aufgäbe, 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 in¬ einander 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 aus- gebildet 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 Lamellengrundkör¬ pers. 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 typischer¬ weise 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 Ausfüh- rungsformen 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 er¬ möglicht .
Gemäß einer Ausführungsform beträgt in der Schließstellung der Drossel ein Verhältnis der Fläche des minimalen Strömungs¬ querschnitts 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 Strömungs¬ querschnitts 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 Strömungs- querschnitts 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 Be¬ triebsbereich 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 Kanal¬ öffnung 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 Aus¬ führungsform verschlossen werden, woraus geringere Druckver- luste 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 Strömungs¬ leitschaufeln, 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 ange¬ hängten 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:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Aufladevor¬ richtung mit einem Verdichter mit Irisblendenmechanismus,
Figuren 2a bis 2c schematische Aufsichten des Irisblendenme¬ chanismus in drei verschiedenen Zuständen,
Figuren 3 bis 7 schematische Querschnittsansichten eines
Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezir- kulationskanal gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figuren 8 bis 10 schematische Querschnittsansichten eines
Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezir- kulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungs¬ beispiel der Erfindung, Figuren 11 bis 13 schematische Querschnittsansichten eines Verdichters mit Irisblendenmechanismus und Rezir- kulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungs¬ beispiel der Erfindung,
Figuren 14 bis 18 schematische Querschnittsansichten eines
Verdichters mit einer Lochblende und einem Rezir- kulationskanal gemäß einem weiteren Ausführungs¬ beispiel der Erfindung,
Figuren 19A bis 19C drei schematische Ansichten von Blenden
Öffnungen des Irisblendenmechanismus, und
Figuren 20A bis 20C drei verschiedene Betriebszustände eines
Verdichters mit Rezirkulationskanal und variablen
Strömungsleitschaufein .
Figur 1 zeigt schematisiert eine exemplarische Aufladevor¬ richtung 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 Auf¬ ladevorrichtung 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 Ölan- Schlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
In der Regel weist eine Aufladevorrichtung 1, wie in Figur 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein Gehäuse der Antriebseinheit 20, ein im Ansaugtrakt des Ver¬ brennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und ein zwischen dem Gehäuse der Antriebseinheit 20 und Verdichter¬ gehäuse 31 vorgesehenes Lagergehäuse 41 bezüglich der ge- meinsamen Laderachse 2 nebeneinander angeordnet und montage¬ technisch 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 Verdich¬ tergehäuse 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 Vertei¬ ler-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 Figur 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 Tur- binenlaufrad (auch Turbinenrad bezeichnet) vorgesehen, welches auf der Läuferwelle 14 drehfest angeordnet und von einem Ab¬ gasmassenstrom angetrieben würde.
Im Luftmassenstrom LM stromaufwärts vor dem Verdichterlaufrad 13 ist ein Irisblendenmechanismus 50 zusätzlich oder alternativ zu einem Schubumluft-Ventil (siehe Figur 1) im Luftzuführkanal 36 unmittelbar vor einem Verdichtereinlass 36a (auch Verdichtereintritt) angeordnet und/oder bildet zumindest einen
Teilbereich des Luftzuführkanals 36 unmittelbar vor dem Ver- dichtereinlass 36a des Verdichtergehäuses 31. Der Irisblen¬ denmechanismus 50 ähnelt hinsichtlich seines Funktionsprinzips einer Irisblende in einem Fotoapparat. Der Irisblendenmecha¬ nismus 50 ist dazu ausgebildet, eine Blendenöffnung zumindest teilweise zu schließen oder zu öffnen, so dass ein Strö- mungsquerschnitt für den Luftmassenstrom LM zum Anströmen des Verdichterlaufrads 13 zumindest über einen Teilbereich des Strömungsquerschnittes variabel einstellbar ist. Der Iris¬ blendenmechanismus 50 ermöglicht eine Kennfeldverschiebung für den Verdichter 30, in dem dieser als variable Einlassdrossel für das Verdichterrad 13 fungiert. Figuren 2a bis 2c zeigen schematisch den Irisblendenmechanismus 50 der Aufladevorrichtung 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen .
Der Irisblendenmechanismus 50 ist an oder in dem Verdichter¬ gehäuse 31 festgelegt und/oder bildet dieses zumindest teil¬ weise. 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 Gehäu¬ se (-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 Lamellen- grundkörper 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. Figur 2a zeigt dabei die Blendenöffnung 55 mit einer maximalen Öffnungsweite (Offenstellung) , Figur 2b zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer verringerten Öffnungsweite und Figur 2c zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer minimalen Öffnungsweite (Schließstellung) .
Figuren 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 Figur 1) . Figuren 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 Verdich- tereintrittskante 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 Rezirku- lationskanal 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 Kanal¬ öffnung 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 Figur 3 ist ein vollständig geschlossener Zustand des Irisblendenmecha¬ nismus 50 gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel der Figuren 3 bis 7 gelten die folgenden vorteilhaften geometrischen Abmessungen für die Anordnung des Irisblendenmechanismus 50:
Gleichung 1: = < 08
Av n*rv
Gleichung 2: =—-— < 0,6
X X
Gleichung 3:
2*rR =— < 0,3
dR
Dabei gelten die folgenden Parameter:
• Ap,min entspricht einer Fläche des minimalen Strömungs- querschnitts (Blendenöffnung 55) des Irisblendenmechanismus
50 in der Schließstellung.
• Ay entspricht der Fläche des Strömungsquerschnitts des
Luftzuführkanals 36 direkt vor dem Verdichtereintritt 132.
• rp,min entspricht dem Radius einer dem minimalen Strö- mungsquerschnitt entsprechenden Kreisfläche des Irisblen¬ denmechanismus 50 in der Schließstellung.
• ry 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.
• rp,max entspricht dem Radius einer dem maximalen Strö¬ mungsquerschnitt des Luftzuführkanals 36 entsprechenden Kreisfläche des Irisblendenmechanismus 50 in der Offen¬ stellung .
• dp,max entspricht dem Durchmesser der dem maximalen Strömungsquerschnitt des Luftzuführkanals 36 entsprechenden Kreisfläche des Irisblendenmechanismus 50 in der Offen¬ stellung .
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^ entspricht dem Radius des Strömungsquerschnitts des
Luftzuführkanals 36 an der axialen Position der zweiten Kanalöffnung 62, wiederum auf die axiale Mitte bezogen.
Anhand der Figuren 4 bis 7 wird nun das Funktionsprinzip der Platzierung des Irisblendenmechanismus 50 vor der zweiten Kanalöffnung 62 beschrieben.
Figur 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 Figur 5) und stabilisiert den jeweiligen Be¬ triebspunkt im Verdichterkennfeld entsprechend.
Figur 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 Re¬ zirkulationskanal 60 ein Rezirkulationsmassenstrom LMR über die zweite Kanalöffnung 62 zurück in den Luftzuführkanal 36 strömt. Figur 6 zeigt einen Zustand des Verdichters 30 und des Iris¬ blendenmechanismus 50 in der Offenstellung. Der Verdichter 30 wird nahe einem Idealpunkt (Bestpunkt) im Verdichterkennfeld betrieben, wobei nahezu keine Rezirkulation über den Rezir- kulationskanal 60 stattfindet. Der Eintrittsquerschnitt für das Verdichterrad 30, siehe Radius ry in Figur 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 Figur 7) . Mit anderen Worten strömt der Luftmassenstrom LM teilweise über die zweite Ka¬ nalöffnung 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.
Figuren 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 Re- Zirkulationskanal 60. Der Verdichter 30 eignet sich wieder für eine Aufladevorrichtung 1 wie gemäß Figur 1 beschrieben. Im Unterschied zu dem vorigen Ausführungsbeispiel kann mittels des Irisblendenmechanismus 50 der Rezirkulationskanal 60, insbe¬ sondere die zweite Kanalöffnung 62, aktiv verschlossen werden.
Bei vollständig geschlossener Blende (siehe Figur 10) ist der Rezirkulationskanal 60 vollständig geöffnet und es ergeben sich die oben beschriebenen Vorteile, etwa beim Betrieb an der Pumpgrenze .
Figur 9 zeigt eine halboffene Stellung des Irisblendenmecha¬ nismus 50, wobei immer noch der Rezirkulationskanal 60 voll¬ ständig freigegeben, die Abschattung durch den Irisblenden- mechanismus 50 und somit auch die Verstärkung der Rezirkulation sind jedoch verringert. Es ergibt sich dadurch aber ein größerer Strömungsquerschnitt in der Hauptströmung für den Luftmas¬ senstrom 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 Figur 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.
Figuren 11 bis 13 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Verdichters 30, wobei im Unterschied zuvor beschriebener Ausführungsbeispiele Figuren 8 bis 10 der Irisblendenmechanismus 50 neben einer ersten Offenstellung in eine zweite, weitere
Offenstellung verfahrbar ist. In der ersten Offenstellung, die in Figur 11 gezeigt ist, ist der gesamte Luftzuführkanal 36 hinsichtlich des Strömungsquerschnitts freigegeben, der Re¬ zirkulationskanal 60 ist ebenfalls geöffnet. In der zweiten Offenstellung des Irisblendenmechanismus 50, die in Figur 12 dargestellt ist, ist der Rezirkulationskanal 60 geschlossen, während der Luftzuführkanal 36 weiterhin vollständig freigegeben ist. Figur 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.
Figuren 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 Ver¬ dichtergehäuse 31 gelagert. Die Schwenkachse 73 ist senkrecht zur Läuferdrehachse 15 ausgerichtet. Figur 14 zeigt die geschlossene Stellung der Lochblende 70 bei einem Verdichterbetrieb nahe der Pumpgrenze. Figur 15 zeigt eine Zwischenstellung der Lochblende 70 beim Überführen dieser in die Offenstellung. Figur 16 zeigt eine Offenstellung der Lochblende 70 bei einem Verdichterbetrieb mit hohen Massenströmen in der Nähe der Stopfgrenze. Figur 17 zeigt die geöffnete Lochblende 70 bei einem Betrieb des Ver¬ dichters nahe eines idealen Betriebspunktes. Figur 18 zeigt die geöffnete Lochblende 70 bei einem Betrieb des Verdichters nahe der Stopfgrenze.
Figuren 19A bis 19C zeigen verschiedene Blendenöffnungen 55 für den beschriebenen Irisblendenmechanismus 50, wobei in Abhän¬ gigkeit der Formgebung der Lamellen 52 verschiedene Querschnitte bewirkt sind. Figur 19A zeigt einen kreisrunden Querschnitt, während Figur 19B einen polygonförmigen Querschnitt und Figur 19C einen wellenförmigen Querschnitt zeigt. Derartige Querschnitte eignen sich analog für die Lochblende 70.
Figuren 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 vorbe- stimmten Winkel zur Läuferdrehachse 15 einnehmen. In Figur 20A erstrecken sich die Strömungsleitschaufeln 64 im Wesentlichen parallel zur Läuferdrehachse 15, während Figuren 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 be¬ schriebenen Verdichter 30 nicht zwingend Teil der in Figur 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) an¬ geordnet ist;
- einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmas¬ senstroms (LM) auf das Verdichterrad (13);
- einen im Verdichtergehäuse (31) ausgebildeten Rezir- kulationskanal (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 (AI) 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 (AI) 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 Ein- stellen 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 (AI) zu der Fläche des Strömungsquerschnitts des Luft¬ zuführkanals (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), insbe¬ sondere 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 Strömungs¬ leitschaufeln (64) angeordnet sind, deren Ausrichtung variabel bezogen auf eine Läuferdrehachse (15) der Läu¬ ferwelle (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
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