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Die
Erfindung betrifft einen Radialverdichter mit einem Diffusor der
beispielsweise bei einem Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug eingesetzt
wird.
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Turbolader
bestehen allgemein aus einer Abgasturbine in einem Abgasstrom, die über eine
Turbowelle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Auf
der Turbowelle sind hierzu beispielsweise ein Turbinenrad und ein
Verdichterrad drehbar gelagert, wobei das Turbinenrad in einem Turbinengehäuse angeordnet
ist und das Verdichterrad in einem Verdichtergehäuse mit einem Diffusor. Im
Betrieb treibt der Abgasstrom, der durch das Turbinengehäuse geleitet
wird, das Turbinenrad an. Das Turbinenrad treibt wiederum das Verdichterrad
an, wodurch der Verdichter den Druck im Ansaugtrakt des Motors erhöht, so dass
während
des Ansaugtaktes eine größere Menge
Luft in den Zylinder gelangt. Dies bewirkt, dass mehr Sauerstoff
zur Verfügung
steht und eine entsprechend größere Kraftstoffmenge
verbrannt werden kann. Dadurch kann die Leistungsabgabe des Motors
erhöht
werden.
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Maßgeblich
für die
Lärmemission
des Turboladers ist hierbei der Verdichter. Insbesondere strahlt der
Verdichtereintritt sehr viel Lärm
nach außen
ab.
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Aus
dem Stand der Technik sind Radialverdichter für Abgasturbolader bekannt,
die über
einen Diffusor verfügen,
welcher die aufgebaute Geschwindigkeit in Druck umsetzt. Ein solcher
Diffusor endet in einer sog. Spirale welche die verdichtete Luft
zum Verbraucher abführt.
Die Geometrie des Übergangs der
Spirale, d. h. die sog. Zunge, ist hierbei ein kritisches Ausführungselement,
da an dieser Stelle oft Druckpulsationen entstehen. Gemäß dem Stand
der Technik wurde bisher das Problem der Entstehung solcher Druckpulsationen
durch eine strö mungstechnisch
günstige
Ausformung der Zunge mit einem konstanten Diffusordurchmesser bzw.
Radius gelöst.
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Zur
Reduktion des Ansauglärms
bzw. bei großer
Schallbelastung werden häufig
vorgeschaltete Schalldämpfer
eingesetzt. Diese Schalldämpfer können kanalartige
oder kulissenartige Elemente aufweisen, welche ihrerseits beispielsweise
mit schallabsorbierendem Material ausgekleidet sind. Neben solchen
Absorptionsschalldämpfern
können auch
akustische Resonatoren und akustische Filter zur Schalldämpfung eingesetzt
werden.
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Solche
Schalldämpfer
haben jedoch den Nachteil, dass sie zusätzlichen Bauraum benötigen. Des
Weiteren sind die Fertigung und die Montage der Schalldämpfer kostspielig
und mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
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Demnach
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter
mit einem Diffusor bereitzustellen, der derart gestaltet ist, dass
das Auftreten von Druckpulsationen zumindest reduziert oder im Wesentlichen
ganz verhindert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Radialverdichter mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Radialverdichter,
insbesondere für
einen Turbolader, bereitgestellt mit:
- – einem
Spiralgehäuse
und
- – einem
Diffusor, wobei der Diffusor derart ausgebildet ist, dass ein Unterdruckgebiet
im Bereich des Übergangs
des Spiralgehäuses
bzw. der Zunge zumindest reduziert wird.
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Der
Radialverdichter hat dabei den Vorteil, dass durch eine Reduzierung
oder eine Unterdrückung
eines Unterdruckgebiets, das vor allem im Bereich des Übergangs
des Spiralgehäuses
bei dem Diffusor entsteht, störende
Druckpulsationen verhindert werden können. Dadurch kann beispielsweise auf
den Einsatz von zusätzlichen
Schalldämpfern
zumindest teilweise oder ganz verzichtet werden. Dies resultiert
in einer erheblichen Ersparnis in Bezug auf Herstellungs- und Montagekosten.
Des Weiteren kann eine kompaktere Bauweise beispielsweise beim Einsatz
in einem Turbolader erzielt werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
wir der Querschnitt des Diffusors derart variiert, dass die Bildung
eines Unterdruckgebiets zumindest reduziert oder im Wesentlichen
ganz verhindert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Querschnitt eines
Diffusors verhältnismäßig einfach
angepasst bzw. verändert
werden kann und daher kostengünstiger
ist und keinen zusätzlichen
Bauraum benötigt, im
Vergleich zu der Verwendung von Schalldämpfern im Stand der Technik.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Querschnitt des Diffusors variiert, indem der Radius bzw.
der Durchmesser des Diffusors im Bereich des Übergangs des Spiralgehäuses bzw. im
Bereich der Zunge vergrößert wird.
Dies hat den Vorteil, dass der Diffusor hierdurch eine weitere Verzögerung der
Gasgeschwindigkeit erzeugen kann und damit einen größeren Druckaufbau.
Der größere Druckaufbau
ermöglicht
eine Abströmung
im Wesentlichen ohne oder zumindest mit einer reduzierten Pulsation.
Der Bereich des Diffusors mit dem vergrößerten Durchmesser bzw. Radius
kann dabei in Form einer Auswölbung
nach außen
oder in Form eines Ovals ausgebildet sein.
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Gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird der Querschnitt des Diffusors variiert, indem die Breite des
Diffusors vergrößert wird.
Hierzu weist der Diffusor im Bereich des Übergangs des Spiralgehäuses bzw.
im Bereich der Zunge eine größere bzw.
größer werdende
Breite auf. Die Vergrößerung der
Breite bei dem Diffusor führt
zu einem ver gleichbaren Effekt, wie die Vergrößerung des Radius des Diffusors.
Auch hier wird die Bildung eines Unterdruckgebiets verhindert oder
zumindest reduziert, so dass störende
Pulsationen eingedämmt werden
können
und damit das Auftreten entsprechender Störgeräusche.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
sind hierzu wenigstens eine Wand oder beide gegenüberliegenden
Wände des
Diffusors nach außen
geneigt und/oder gewölbt
ausgebildet. Die jeweilige Wand kann dabei eine Keilform bilden, wobei
sich die Keilform nach außen
hin vergrößert. Die
Wände können dabei
hinsichtlich ihrer Form, Neigung und/oder Wölbung identisch oder unterschiedlich
ausgebildet werden. Dies hat den Vorteil, dass je nach Funktion
und Einsatzzweck die Breite des Diffusors in wenigstens einem Bereich
durch Anpassen beider Wände
oder auch nur einer Wand leicht erreicht werden kann.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren
der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Radialverdichters
und seines Diffusors gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
stark vereinfachte Schnittansicht durch das Verdichterrad und einen
Diffusor gemäß 1;
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3 eine
stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Radialverdichters
und seines Diffusors gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
stark vereinfachte Schnittansicht durch das Verdichterrad und einen
Diffusor gemäß 3;
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5 eine
stark vereinfachte, schematische Schnittansicht eines Radialverdichters
und seines Diffusors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 eine
stark vereinfachte Schnittansicht durch das Verdichterrad und einen
Diffusor gemäß 5.
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In
allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern
nichts anderes angegeben ist – mit
denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In 1 ist
ein Radialverdichter 10 mit einem Diffusor 12 gemäß dem Stand
der Technik gezeigt, der Bestandteil eines Turboladers ist (nicht
dargestellt). Der Radialverdichter 10 ist dabei von vorn
in einer Schnittansicht vereinfacht dargestellt.
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Der
Radialverdichter 10 weist hierbei ein Spiralgehäuse 14 und
den Diffusor 12 auf. Der Radius r1 bzw. der Durchmesser
des Diffusors 12 ist dabei konstant. Des Weiteren ist die
Breite b1 des Diffusors 12 konstant, wie in nachfolgender 2 gezeigt
ist. Der Diffusor 12 verfügt daher über einen im Wesentlichen konstanten
Querschnitt.
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In
dem Gehäuse
des Radialverdichters 10 ist eine Turbowelle 16 angeordnet,
auf der ein Verdichterrad 18 vorgesehen ist. Das Verdichterrad 18 wird dabei über ein
entsprechendes Turbinenrad (nicht dargestellt) auf der Turbowelle 16 angetrieben.
Im Betrieb wird durch die Drehzahl des Verdichterrads 18 Luft
axial angesaugt und im Verdichterrad 18 auf hohe Geschwindigkeiten
beschleunigt. Die Luft verlässt
das Verdichterrad 18 dabei in radialer Richtung.
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Im
Diffusor 12 wird die Geschwindigkeit der Luft verringert.
Die Folge davon ist, dass Druck und Temperatur ansteigen. Der Diffusor 12 wird
beispielsweise aus einer Verdichterrückwand und einem Teil des Spiralgehäuses 14 gebildet.
Im Spiralgehäuse 14 wird
die Luft gesammelt und die Geschwindigkeit bis zum Verdichteraustritt
weiterhin reduziert. Dabei bildet die Geometrie des Übergangs
der Spirale 13 des Spiralgehäuses 14, d. h. die
sog. Zunge 20, ein kritisches Ausführungselement, da an dieser
Stelle oft Druckpulsationen entstehen, da sich hier ein Unterdruckgebiet
bilden kann. Wie zuvor bereits ausgeführt, sind daher bei den Radialverdichtern 10 gemäß dem Stand
der Technik unter anderem Schalldämpfer (nicht dargestellt) vorgesehen,
um störende
Geräusche
in Folge solcher Druckpulsationen zu verhindern oder zumindest zu
reduzieren.
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In 2 ist
eine Schnittansicht durch den Diffusor 12 und durch das
Verdichterrad 18 gemäß 1 gezeigt.
Die Breite b1 des Diffusors 12 ist hierbei im Wesentlichen
konstant gehalten.
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Des
Weiteren ist in 3 ist nun ein Radialverdichter 10 gemäß der Erfindung
dargestellt, der Teil eines Turboladers (nicht dargestellt) ist.
Der Radialverdichter 10 weist dabei ebenfalls ein Spiralgehäuse 14 und
einen Diffusor 12 auf. Auf einer Turbowelle 16 ist,
wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, ein Verdichterrad 18 und
beispielsweise ein Turbinenrad (nicht dargestellt) angeordnet. Der Diffusor 12 setzt
hierbei die aufgebaute Geschwindigkeit der über das Verdichterrad 18 angesaugten Luft
in Druck um. Der Diffusor 12 endet dabei in der Spirale 13 des
Spiralgehäuses 14,
welche die verdichtete Luft zum Verbraucher abführt.
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Um
Druckpulsationen entgegenzuwirken, die im Bereich des Übergangs
der Spirale 13, d. h. der sog. Zunge 20, entstehen,
wird nun erfindungsgemäß der Querschnitt
des Diffusors 12 verändert.
Mit anderen Worten, der Querschnitt des Diffusors 12 wird
variiert und ist daher im Gegensatz zum Stand der Technik nicht
konstant. Diese Variation des Querschnitts kann auf verschiedene
Arten realisiert werden, wie im nachfolgenden erläutert wird.
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Um
den Querschnitt des Diffusors 12 geeignet zu variieren
kann beispielsweise der Radius r bzw. der Durchmesser des Diffusors 12 wie
folgt gestaltet bzw. verändert
werden. Der Radius r bzw. der Durchmesser des Diffusors 12 wird
derart ausgeführt,
dass die Ausbildung eines Unterdruckgebiets reduziert wird oder
im Wesentlichen kein Unterdruckgebiet im Bereich der Zunge 20,
d. h. im Bereich des Übergangs
der Spirale, entsteht. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht,
dass der Radius r bzw. der Durchmesser des Diffusors 12 in
wenigstens einem vorbestimmten Bereich vergrößert wird, um die Ausbildung
eines Unterdruckgebiets zu reduzieren oder im Wesentlichen ganz
zu verhindern. Ein Radius r2 des Diffusors ist daher in dem Bereich
der Zunge 20 größer gewählt als
ein Radius r1 des Diffusors 12 außerhalb dieses Bereichs.
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Die
Erfinder haben nämlich
herausgefunden, dass es beispielsweise vorteilhaft ist bei einem
Diffusor 12 mit einer konstanten Breite keinen konstanten Radius
r bzw. Durchmesser zu verwenden, wie dies bisher im Stand der Technik
der Fall ist. Stattdessen erweist es sich als vorteilhaft, wenn
der Diffusor 12 in seinem Durchmesser bzw. Radius r variiert
wird. Das bedeutet, dass der Diffusor 12 in wenigstens
einem Bereich einen leicht größeren Durchmesser
bzw. Radius r2 aufweist, beispielsweise in einem Bereich des Übergangs
der Spiral 13.
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Dieser
vergrößerte Durchmesser
bzw. Radius r2 des Diffusors 12 erzeugt eine weitere Verzögerung der
Gasgeschwindigkeit und einen größeren Druckaufbau,
welcher eine Abströmung
im Wesentlichen ohne oder zumindest mit einer reduzierten Pulsation
ermöglicht.
Dies hat zur Folge, dass einer unerwünschten Geräuschbildung entgegengewirkt
werden kann, so dass keine zusätzlichen
schalldämpfenden
Elemente installiert werden müssen,
die zu zusätzlichen
Kosten und Montageaufwand führen.
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Hierzu
kann, wie zuvor bereits genannt, der Diffusor 12, wie in 3 gezeigt
ist, beispielsweise im Bereich der Zunge 20 bzw. des Übergangs
der Spirale 13 mit einem größeren Radius r2 bzw. größeren Durchmesser
ausgeführt
werden. Dabei wird der Diffusor 12 beispielsweise im Bereich
der Zunge 20 mit einer Wölbung 30 nach außen ausgeformt
bzw. bildet in diesem Bereich ein Oval. Die Darstellung in 3 ist
dabei stark vereinfacht und soll lediglich das Prinzip der Erfindung
erläutern.
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In 4 ist
des Weiteren eine Schnittansicht durch das Verdichterrad 18 und
den Diffusor 12 gemäß 3 gezeigt.
Der Diffusor 12 weist dabei eine im Wesentlichen konstante
Breite b1 auf.
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In 5 ist
des Weiteren eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform des Radialverdichters 10 gezeigt.
Der Radialverdichter 10 weist dabei einen konstanten Durchmesser
bzw. Radius r1 auf. Um den Querschnitt des Diffusors 12 entsprechend zu
variieren wird daher in diesem Fall die Breite b des Diffusors 12 verändert.
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Hierbei
wird gemäß der Erfindung
die Breite b des Diffusors 12 in wenigstens einem Bereich
variiert, um den zuvor beschriebenen Druckpulsationen entgegenzuwirken,
die beispielsweise im Bereich des Übergangs der Spirale 13 entstehen.
Die Breite b des Diffusors 12 wird hierbei beispielsweise
vergrößert, wie
in 6 gezeigt ist. Die Breite b1 wird in dem dargestellten
Bereich dabei auf eine Breite b2 vergrößert. Hierzu wird eine erste
Wand 22 des Diffusors 12 in diesem Bereich beispielsweise
leicht um einen Winkel γ nach
außen
geneigt ausgebildet. Alternativ kann die erste Wand 22 aber
auch beispielsweise gewölbt
ausgebildet werden. Grundsätzlich kann
aber auch eine gegenüberliegende
zweite Wand 24 des Diffusors 12 entsprechend angepasst werden.
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Hierbei
wird die Breite b des Diffusors 12 beispielsweise in dem
Bereich des Übergangs
der Spirale 13 bzw. im Bereich der Zunge 20 variiert
bzw. auf eine Breite b2 vergrößert, um
der Ausbildung eines Unterdruckgebiets in diesem Bereich entgegen
zu wirken. Der Diffusor 12 kann hierbei eine Art Vertiefung 26 in
Form eines Keils 28 aufweisen, wie in 5 in
einer Vorderschnittansicht gezeigt ist und in 6 in
einer Seitenschnittansicht. Der Keil 28 weitet sich dabei
beispielsweise nach außen
auf in Richtung der Zunge 20.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen
sind dabei miteinander kombinierbar, insbesondere einzelne Merkmale
davon.
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Dabei
können
beispielsweise wenigstens ein Bereich oder mehrere Bereiche des
Diffusors 12 in ihrem Durchmesser bzw. Radius r variiert
werden. Des Weiteren können
auch wenigstens ein Bereich oder mehrere Bereiche des Diffusors 12 bezüglich ihrer
Breite b variiert werden. Dabei werden die Bereiche beispielsweise
unter dem Gesichtspunkt ausgewählt,
wo unerwünschte
Druckpulsationen entstehen, um die ausgewählten Bereiche derart anzupassen,
dass jeweils kein oder allenfalls ein geringes Unterdruckgebiet
entsteht, um diesen Druckpulsationen entgegen zu wirken.
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Darüber hinaus
kann ein Diffusor 12 auch jeweils wenigstens einen Bereich
mit einem variierten Durchmesser bzw. Radius r aufweisen, wie er
mit Bezug auf die 3 und 4 zuvor
bereits detailliert beschrieben wurde. Dieser Diffusor 12 kann
wahlweise zusätzlich
auch mit wenigstens einem Bereich versehen sein, dessen Breite b
variiert ist, wie mit Bezug auf die 5 und 6 ausführlich erläutert wurde. Mit
anderen Worten, der Querschnitt des Diffusors 12 kann über den
Durchmesser bzw. Radius r und/oder die Breite b variiert werden.
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Des
Weiteren kann hierbei wenigstens die erste und/oder zweite Wand 22, 24 des
Diffusors 12 nach außen
geneigt und/oder gewölbt
ausgebildet sein, um die Breite b des Diffusors 12 zu vergrößern. Die
beiden Wände 22, 24 können dabei
identisch oder unterschiedlich ausgeformt sein, d. h. beispielsweise
mit unterschiedlichen Neigungen bzw. Wölbungen. Dabei können die
Wände 22, 24 auch
unterschiedliche Formen in diesem Bereich aufweisen. So kann eine
Wand 22, 24 geneigt und die andere Wand 22, 24 gewölbt ausgebildet
sein, je nach Funktion und Einsatzzweck.