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Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter für einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Radialverdichter für Abgasturbolader sind aus dem allgemeinen Stand der Technik, insbesondere aus der Massenfertigung von Verbrennungskraftmaschine für Personenkraftwagen, hinlänglich bekannt. Ein solcher Radialverdichter gemäß dem Stand der Technik ist ausschnittsweise in 1 in einer Längsschnittansicht dargestellt und dort im Ganzen mit 10 bezeichnet.
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Der Abgasturbolader, dessen Bestandteil der Radialverdichter 10 ist, wird bei einer beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine zum Verdichten von Luft verwendet. Die Verbrennungskraftmaschine dient beispielsweise zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens.
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Der Abgasturbolader umfasst üblicherweise auch eine in 1 nicht dargestellte Turbine, die in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Der Radialverdichter 10 ist mit der Turbine gekoppelt, so dass der Radialverdichter von der Turbine antreibbar ist.
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Der Radialverdichter 10 umfasst ein in 1 ausschnittsweise erkennbares Verdichtergehäuse 12, welches von Luft durchströmbar ist. Diese Luft ist dabei mittels des Radialverdichters 10 zu verdichten. Die verdichtete Luft wird der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, um dadurch beispielsweise trotz eines geringen Hubvolumens der Verbrennungskraftmaschine hohe Leistungen und hohe Drehmomente zu realisieren. Dadurch kann die Verbrennungskraftmaschine besonders ausgeprägt nach dem sogenannten Downsizing-Konzept ausgebildet werden, so dass hohe Drehmomente und hohe Leistungen realisierbar sind und gleichzeitig die innere Reibung der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden kann.
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Das Verdichtergehäuse 12 weist einen Aufnahmeraum 14 auf. In dem Aufnahmeraum 14 ist ein in 1 ausschnittsweise erkennbares Verdichterrad 16 des Radialverdichters 10 aufgenommen. Das Verdichterrad 16 ist dabei um eine Drehachse 18 relativ zu dem Verdichtergehäuse 12 drehbar. Während des Betriebs des Radialverdichters 10 wird das Verdichterrad 16 in seiner axialen Richtung von zu verdichtender Luft angeströmt und in radialer Richtung von der mittels des Verdichterrads 16 verdichteten Luft abgeströmt.
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Wie aus 1 erkennbar ist, weist das Verdichtergehäuse 12 wenigstens einen von der verdichteten Luft durchströmbaren Kanal 20 auf. Bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch das Verdichtergehäuse 12 ist der Kanal 20 stromab des Aufnahmeraums 14 und somit stromab des Verdichterrads 16 angeordnet. Darüber hinaus dient der Kanal 20 zum Abführen der verdichteten Luft von dem Verdichterrad 16.
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In 1 ist von dem Kanal 20 ein erster Kanalteil 22 erkennbar, welcher sich in radialer Richtung erstreckt. An den ersten Kanalteil 22 schließt sich ein in 1 lediglich ausschnittsweise erkennbarer, zweiter Kanalteil 24 des Kanals 20 an. Der zweite Kanalteil 24 erstreckt sich dabei in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 14 und des Verdichterrads 16 über deren jeweiligen Umfang. Wie aus 1 erkennbar ist, ist der Kanal 20 rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Kanal 20 wird üblicherweise auch als Diffusor bezeichnet, da mittels des Kanals 20 die verdichtete Luft beispielsweise teilweise entspannt wird.
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Die
EP 1 881 173 A1 offenbart einen Multidiffusor für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei der Multidiffusor ein sich von einem Diffusoreingang zu einem Diffusorausgang entlang einer Längsachse erweiterndes Diffusorgehäuse mit einem im Inneren des Diffusorgehäuses angeordneten Diffusoreinsatz umfasst. Der Diffusoreingang ist mit einem Ausgang eines Abgasturboladers verbindbar, wobei der Diffusorausgang mit einem Ladeluftkühler der Hubkolben-Brennkraftmaschine verbindbar ist, so dass im Betriebszustand der Hubkolben-Brennkraftmaschine aus dem Abgasturbolader Frischluft über den Multidiffusor in den Ladeluftkühler einbringbar ist. Dabei ist es vorgesehen, dass der Multidiffusor in Bezug auf die Längsachse asymmetrisch ausgestaltet ist.
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Der
US 2013/0014503 A1 ist eine Gehäuseanordnung für ein Einlasssystem einer Verbrennungskraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Die Gehäuseanordnung umfasst ein Turbinengehäuse, einen Turbinenauslass und ein Verdichtergehäuse.
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Im Rahmen der Entwicklung moderner Verbrennungskraftmaschinen besteht die Bestrebung, den Hubraum zu reduzieren, um die innere Reibung gering zu halten und somit einen effizienten und kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb realisieren zu können. Durch diese verstärkte Hubraumreduzierung moderner Verbrennungskraftmaschinen besteht die Notwendigkeit, den Aufladegrad zu erhöhen. Dabei erfordern das Ansprechverhalten beziehungsweise das Drehmoment bei geringen Motordrehzahlen und die Nennleistung hohe Ladedrücke bei niedrigen Luftdurchsätzen und gleichzeitig gute Aufladewirkungsgrade bei hohen Luftdurchsätzen.
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Heutige Festgeometrie-Radialverdichter sind wegen ihrer gegebenen Strömungscharakteristik, insbesondere hinsichtlich ihrer Kennfeldbreite, Beschränkungen unterworfen, welche dazu führen, dass meist nur eine der beiden Forderungen befriedigend erfüllt werden kann. Dabei wird beispielsweise der Drehmomenteckpunkt auf Kosten der geforderten Leistung im Nennpunkt hin zu höheren Motordrehzahlen verschoben. Die Verdichterzuströmung kann für den gegebenen Anwendungsfall hinsichtlich der Verdichterpumpgrenze beeinflusst werden. Auch hier können bedingt durch heutige Verdichtercharakteristika meist nicht beide Bereiche gleichzeitig bedient werden. Letzten Endes führt in einer Fahrzeuganwendung jede unerwünschte Beschränkung der Motorvolllastkurve zu Kompromissen bei der Abstimmung der Getriebestufen, was einer Optimierung des CO2-Ausstoßes entgegensteht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Radialverdichter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich mittels des Radialverdichters ein besserer und insbesondere effizienterer Betrieb der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Radialverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Radialverdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich mittels des Radialverdichters ein besserer und insbesondere effizienterer Betrieb der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kanal zum Abführen der verdichteten Luft vom Verdichterrad zumindest in einem Teilbereich rotationsunsymmetrisch ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, eine für das Strömungsverhalten der Luft optimierte Gestaltung des Kanals zu realisieren, was auch als optimierte Diffusorgestaltung bezeichnet wird. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass der Kanal keine rotationssymmetrische Gestaltung aufweist, sondern der Kanal ist rotationsunsymmetrisch, so dass der Einfluss einer Gehäusezunge des Verdichtergehäuses auf das Strömungsverhalten der Luft dahingehend beeinflusst werden kann, dass ein verbessertes Verhalten des Verdichters während des Betriebs entsteht.
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Es wurde nämlich gefunden, dass durch die rotationsunsymmetrische Gestaltung des Kanals eine verbesserte Pumpgrenzenlage geschaffen werden kann, so dass beispielsweise hinsichtlich der Verdichterauslegung ein zusätzlicher Freiheitsgrad besteht. Dadurch kann die bei herkömmlichen Verdichtern vorliegende und eingangs geschilderte starke Beeinflussung der Pumpgrenze und des Wirkungsgradoptimums entschärft werden. Somit wird es möglich, beispielsweise bei gleichbleibender Verdichterkennfeldbreite einen verbesserten Wirkungsgrad des Radialverdichters zu erreichen. Ferner kann auch das Verhalten des Radialverdichters im Bereich der Pumpgrenze positiv beeinflusst werden, insbesondere hinsichtlich der Pumpgrenze und des Wirkungsgradverlaufs.
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Die rotationsunsymmetrische Ausgestaltung des Kanals ermöglicht die Darstellung einer deutlich besseren Anpassung des Radialverdichters und des Abgasturboladers insgesamt an unterschiedliche Durchsatzbereiche der zugerhörigen Verbrennungskraftmaschine. Hierdurch lässt sich eine bessere Drehmomentkurve bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch realisieren. Darüber hinaus ist ein verbessertes Instationärverhalten bei gleichzeitig höherer Nennleistung realisierbar. Dadurch weist die Verbrennungskraftmaschine ein besseres Verhalten beim Anfahren, hinsichtlich der Elastizität und des Drehmomentaufbaus auf.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Radialverdichters gemäß dem Stand der Technik;
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2 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Radialverdichters für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem von mittels des Radialverdichters zu verdichtender Luft durchströmbaren Verdichtergehäuse, welches einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines Verdichterrads und wenigstens einen stromab des Aufnahmeraums angeordneten Kanal zum Abführen der verdichteten Luft von dem Verdichterrad aufweist, wobei der Kanal zumindest in einem Teilbereich rotationsunsymmetrisch ausgebildet ist;
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Radialverdichters gemäß 2; und
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4 eine schematische Querschnittsansicht eines Radialverdichters zur Veranschaulichung von zwei weiteren Ausführungsformen des Radialverdichters gemäß 2.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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2 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Radialverdichter für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine ist als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und dient zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Der Radialverdichter 10 weist ein Verdichtergehäuse 12 auf, welches von Luft durchströmbar ist. Diese Luft ist mittels des Radialverdichters 10 zu verdichten und der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen.
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Der Abgasturbolader umfasst auch eine in 2 nicht erkennbare Turbine, die in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Der Radialverdichter 10 ist dabei mit der Turbine gekoppelt und somit von der Turbine antreibbar. Dadurch kann im Abgas enthaltene Energie zum Antreiben des Radialverdichters 10 und somit zum Verdichten der Luft genutzt werden.
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Durch Versorgen der Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft kann das Hubvolumen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden. Gleichzeitig können hohe Leistungen und Drehmomente realisiert werden. Dies führt dazu, dass die innere Reibung der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden kann, so dass sich ein besonders effizienter und kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb realisieren lässt.
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Auch das Verdichtergehäuse 12 des Radialverdichters 10 gemäß 2 weist einen Aufnahmeraum 14 auf, in welchem ein Verdichterrad 16 zum Verdichten der Luft angeordnet ist. Das Verdichterrad 16 ist um eine Drehachse 18 relativ zum Verdichtergehäuse 12 drehbar. Während des Betriebs des Radialverdichters 10 wird das Verdichterrad 16 in seiner axialen Richtung von der zu verdichtenden Luft angeströmt. Diese axiale Richtung verläuft parallel zur Drehachse 18. Das Verdichterrad 16 wird in radialer Richtung von der verdichteten Luft abgeströmt. Die radiale Richtung verläuft dabei senkrecht zur Drehachse 18.
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Das Verdichtergehäuse 12 weist ferner wenigstens einen Kanal 26 auf. Bezogen auf die Strömungsrichtung der das Verdichtergehäuse 12 durchströmenden Luft ist der Kanal 26 stromab des Aufnahmeraums 14 und stromab des Verdichterrads 16 angeordnet. Der Kanal 26 dient dabei wie der Kanal 20 gemäß 1 zum Abführen der verdichteten Luft von dem Verdichterrad 16 beziehungsweise von dem Aufnahmeraum 14.
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Beim Radialverdichter 10 gemäß 2 bis 4 ist es nun im vorgesehen, dass der Kanal 26 zumindest in einem Teilbereich rotationsunsymmetrisch ausgebildet ist. Wie aus 2 erkennbar ist, weist auch der Kanal 26 einen ersten Kanalteil 28 und einen sich daran anschließenden, zweiten Kanalteil 30 auf, wobei die Kanalteile 28, 30 fluidisch miteinander verbunden sind. Der erste Kanalteil 28 erstreckt sich dabei zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung beziehungsweise dient dazu, die Luft von dem Verdichterrad 16 in radialer Richtung abzuführen. Der zweite Kanalteil 30 erstreckt sich in Umfangsrichtung des Verdichterrads 16 beziehungsweise des Aufnahmeraums 14 über dessen Umfang und dient somit zum Führen der Luft in Umfangsrichtung des Verdichterrads 16 beziehungsweise des Aufnahmeraums 14.
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Der erste Kanalteil 28 ist dabei in axialer Richtung von zwei gegenüberliegenden Wandungsbereichen 32, 34 des Verdichtergehäuses 12 begrenzt. Der Wandungsbereich 32 weist dabei einen in radialer Richtung wellenförmigen Verlauf auf. Hierdurch sind drei Längenbereiche 36, 38, 40 des ersten Kanalteils 28 geschaffen. Die Längenbereiche 36, 38, 40 folgen dabei in radialer Richtung aufeinander. Mit anderen Worten folgt der zweite Längenbereich 38 in radialer Richtung auf den ersten Längenbereich 36, wobei der dritte Längenbereich 40 in radialer Richtung auf den zweiten Längenbereich 38 folgt.
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Der erste Längenbereich 36 weist eine erste Breite auf, der zweite Längenbereich 38 weist eine zweite Breite auf, und der dritte Längenbereich 40 weist eine dritte Breite auf. Dies bedeutet, dass der erste Kanalteil 28 im ersten Längenbereich 36 die erste Breite, im zweiten Längenbereich 38 die zweite Breite und im dritten Längenbereich 40 die dritte Breite aufweist. Wie aus 2 erkennbar ist, ist dabei die zweite Breite größer als die erste Breite und die dritte Breite. Ferner kann vorgesehen sein, dass die erste Breite zumindest im Wesentlichen der dritten Breite entspricht. Diese rotationsunsymmetrische Gestaltung des Kanals 26 wirkt sich positiv auf das Strömungsverhalten der Luft aus, so dass sich beispielsweise gegenüber dem Radialverdichter 10 gemäß 1 eine verbesserte Pumpgrenzenlage realisieren lässt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine bessere Drehmomentkurve bei gleichzeitig niedrigerem Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren. Gemäß 2 ist der Wandungsbereich 34 zumindest im Wesentlichen gerade in radialer Richtung ausgebildet.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Radialverdichters 10 gemäß 2. Wie aus 3 erkennbar ist, ist nun der Wandungsbereich 32 in radialer Richtung zumindest im Wesentlichen gerade ausgebildet, wobei der Wandungsbereich 34 einen wellenförmigen Verlauf aufweist. Auch hierdurch sind die drei Längenbereiche 36, 38, 40 mit den entsprechenden Breiten geschaffen, wobei die zweite Breite von der ersten Breite und von der dritten Breite unterschiedlich ist. Die erste Breite und die dritte Breite können dabei zumindest im Wesentlichen gleich sein.
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4 zeigt weitere Ausführungsformen des Radialverdichters 10 gemäß 2 und 3. In 4 ist jedoch auch der rotationssymmetrische Kanalteil 24 des Kanals 20 des Radialverdichters 10 gemäß 1 anhand von durchgezogenen Linien veranschaulicht.
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Anhand einer punktierten Linie ist eine erste Ausführungsform des zweiten Kanalteils 30 des Radialverdichters 10 gemäß 2 und 3 veranschaulicht, wobei anhand einer gestrichelten Linie eine zweite Ausführungsform des zweiten Kanalteils 30 des Radialverdichters 10 gemäß 2 und 3 veranschaulicht ist. Wie aus 4 erkennbar ist, sind die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform des zweiten Kanalteils 30 im Gegensatz zum zweiten Kanalteil 24 rotationsunsymmetrisch ausgestaltet. Auch hierbei kann vorgesehen sein, dass der zweite Kanalteil 30 drei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Umfangsabschnitte mit einer jeweiligen Breite aufweist, wobei die zweite Breite des zweiten Umfangsabschnitts unterschiedlich von der Breite des ersten Umfangsabschnitts und der Breite des dritten Umfangsabschnitts ist. Beispielsweise ist die zweite Breite geringer als die erste Breite und die dritte Breite, so dass ein ähnlicher Verlauf wie der des ersten Kanalteils 28 geschaffen ist, nur dass sich der zweite Kanalteil 30 in Umfangsrichtung des Aufnahmeraums 14 über dessen Umfang erstreckt. Auch hierdurch kann eine Verbesserung der Anpassung des Abgasturboladers insgesamt an unterschiedliche Durchsatzbereiche der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, so dass eine bessere Drehmomentkurve bei gleichzeitig geringerem Kraftstoffverbrauch realisierbar ist. Darüber hinaus kann ein verbessertes Instationärverhalten bei gleichzeitig höherer Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Radialverdichter
- 12
- Verdichtergehäuse
- 14
- Aufnahmeraum
- 16
- Verdichterrad
- 18
- Drehachse
- 20
- Kanal
- 22
- erster Kanalteil
- 24
- zweiter Kanalteil
- 26
- Kanal
- 28
- erster Kanalteil
- 30
- zweiter Kanalteil
- 32
- Wandungsbereich
- 34
- Wandungsbereich
- 36
- erster Längenbereich
- 38
- zweiter Längenbereich
- 40
- dritter Längenbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1881173 A1 [0009]
- US 2013/0014503 A1 [0010]