Verdichter mit veränderlicher Diffusorbreite Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit veränderlicher Diffusorbreite .

In Abgasturboladern werden überwiegend als Radialverdichter ausgebildete Verdichter eingesetzt. Insbesondere bei einer Verwendung von Abgasturboladern in PKW-Motoren ist die Kennfeldbreite des Verdichters ein wichtiges Kriterium für die Erreichbarkeit der motorischen Zielwerte. Die Kennfeldbreite dieser Verdichter wird im Wesentlichen durch die Geometrie des Verdichterrades und durch die Geometrie des Diffusors bestimmt. Das sogenannten Verdichterpumpen, welches beim Überschreiten der Pumpgrenze auftritt, wird häufig durch eine Strömungsablösung im Diffusor ausgelöst. Eine Modifikation der Diffusorgeometrie zum Zwecke einer Kennfeldstabilisierung führt häufig zu Nachteilen bei hohen Drehzahlen, d. h. im Bereich der Stopfgrenze.

Bei bereits auf dem Markt in Kraftfahrzeugen eingesetzten Abgasturboladern kommen in der Regel Verdichter zum Einsatz, deren Diffusor eine vom Hersteller vorgegebene unveränderliche Diffusorbreite aufweisen. Verdichter mit derartigen Diffusoren mit unveränderlicher Diffusorbreite sind zu vergleichsweise geringen Kosten herstellbar und weisen im Betrieb eine hohe Robustheit auf. Dabei wird jedoch im Hinblick auf die Kenn ^¬ feldbreite ein Kompromiss eingegangen. Aus der DE 102 13 897 AI ist bereits ein variabler Turbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, welcher eine Abgasturbine und einen Verdichter mit einer variablen Drall- und/oder Drosseleinrichtung aufweist. Dieser Abgasturbolader ist durch ein Gehäuse und ein über eine Welle mit einem Abgasturbinenrad verbundenes Verdichterrad gebildet. Der Verdichter weist nur einen Einströmkanal auf, in welchem die variable Drall- und Drosseleinrichtung vor dem Verdichterrad angeordnet ist. Diese variable Drall- und Drosseleinrichtung ist als radial ausge- richtetes, variables Vorleitgitter ausgebildet, welches direkt vor einer Verdichterbeschaufelung angeordnet ist. Des weiteren weist der bekannte Verdichter direkt nach den Verdichterradschaufeln einen variabel beschaufelten Diffusor mit drehbaren Diffusorschaufein auf, mit dem das Verhalten des Verdichters bezüglich der Pump- und Stopfgrenzenlage beeinflusst werden kann. Eine Regel- und Steuereinheit nimmt Istwertsignale der Brennkraftmaschine auf und gibt Steuersignale an das variable Vorleitgitter und den Diffusor ab.

Aus der DE 10 2011 120 168 AI ist ein Verdichter für einen Abgasturbolader bekannt, an dessen Verdichterradaustritt eine Verstellvorrichtung angeordnet ist, mittels derer Strömungs ^¬ parameter am Verdichterradaustritt beeinflussbar sind. Diese Verstellvorrichtung ist axial verstellbar und weist eine derartige radiale Ausdehnung in den Diffusorbereich auf, dass mittels einer Aktuierung der Verstellvorrichtung simultan zum Verdichterradaustritt die Diffusorbreite veränderbar ist. Zur Betätigung der Verstellvorrichtung ist ein Aktor vorgesehen, der als Elektromotor oder als pneumatisch und/oder hydraulisch regelbare Druckdose ausgebildet ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdichter mit veränderlicher Diffusorbreite anzugeben, der kostengünstig herstellbar ist und einen einfachen Aufbau hat.

Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den im Patent ^¬ anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den ab- hängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass ein erfindungsgemäßer Verdichter zur Veränderung der Diffusorbreite keine aktiven Elemente wie beispielsweise einen Elektromotor zur Verstellung von verstellbaren Elementen benötigt. Es ist des Weiteren keine Steuereinheit notwendig, welcher Sensorsignale zugeführt werden und die durch eine Auswertung dieser Sensorsignale Steuersignale für Verstellelemente ermittelt. Ferner benötigt ein erfindungsgemäßer Verdichter keine

Gehäusedurchtritte für Sensor- oder Steuersignalleitungen. Dies wiederum reduziert die Leckagemöglichkeiten des Verdichters. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verdichters besteht in einer reduzierten Komplexität, da er weniger Bauteile benötigt als beispielsweise ein Verdichter, dessen Diffusorbreite unter Verwendung einer Steuereinheit verändert wird. Weitere vorteilhafte Eigenschaften eines Verdichters gemäß der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt

Figur 1 eine Skizze eines Verdichters gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel für die Erfindung und

Figur 2 eine Skizze eines Verdichters gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Ein in einem Kraftfahrzeug verwendeter Abgasturbolader hat die Aufgabe, die ansonsten verlorene Abgasenergie zur Steigerung der Leistung der im Kraftfahrzeug vorgesehenen Brennkraftmaschine zu verwenden. Zu diesem Zweck weist der Abgasturbolader eine Turbine mit einem Turbinenrad auf, welches durch den Abgasstrom an- getrieben wird. Das Turbinenrad ist auf einer Welle befestigt, an deren anderem Ende das Verdichterrad eines Verdichters befestigt ist. Durch die Drehung der Welle wird das Verdichterrad angetrieben, so dass im Verdichter diesem durch dessen Lufteintritt zugeführte Luft auf eine hohe Geschwindigkeit be- schleunigt wird. Die beschleunigte Luft wird einem zwischen dem Verdichterradaustritt und der Volute des Verdichtergehäuses angeordneten Diffusor zugeleitet. In diesem wird die kinetische Energie des beschleunigten Luftstroms in Druckenergie umge ^¬ wandelt .

Das Betriebsverhalten eines derartigen Verdichters wird durch ein Verdichterkennfeld beschrieben, in welchem das im Verdichter vorliegende Druckverhältnis über der Massenstromflussrate aufgetragen ist. Der im Betrieb des Abgasturboladers vorliegende Arbeitsbereich im Verdichterkennfeld ist auf der einen Seite durch die Pumpgrenze und auf der anderen Seite durch die Stopfgrenze begrenzt. Die Pumpgrenze ist diejenige Grenze des Kennfeldes, an welcher sich durch zu kleine Volumenströme und zu hohe Druckverhältnisse die Strömung von den Schaufeln des Verdichterrades löst und keine Luft mehr gefördert wird. Die Stopfgrenze charakterisiert das Erreichen des maximalen Vo ^¬ lumenstromes .

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Erweiterung des

Verdichterkennfeldes im Arbeitsbetrieb des Verdichters.

Dies wird gemäß dem Patentanspruch 1 durch einen Verdichter erreicht, welcher ein Verdichterrad, ein Verdichtergehäuse, welches eine Volute und einen Diffusor enthält, und eine Vorrichtung zur Veränderung der Diffusorbreite aufweist, welche eine die Diffusorbreite in Abhängigkeit von einem oder mehreren momentanen Betriebsparametern des Verdichters selbstständig verändernde Vorrichtung ist. Bei diesen momentanen Betriebs ^¬ parametern handelt es sich vorzugsweise um die im Verdichter herrschende Temperatur oder um den im Verdichter herrschenden Druck oder um eine Druckdifferenz zwischen dem

Verdichtereintritt und dem Diffusor.

Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung, die die

Diffusorbreite selbstständig in Abhängigkeit von momentan vorliegenden Betriebsparametern des Verdichters verändert, bestehen insbesondere darin, dass sie einfach und preisgünstig realisierbar ist und vergleichsweise wenig Bauteile benötigt. Insbesondere benötigt ein Verdichter gemäß der Erfindung zur Veränderung der Diffusorbreite keine Sensoren, keine Zuleitungen zwischen Sensoren und einer Steuereinheit, keine Steuereinheit, welche unter Verwendung von Sensorsignalen Steuersignale zur Veränderung der Diffusorbreite bereitstellt und auch keine Zuleitungen zwischen einer Steuereinheit und den genannten Bauteilen . Die Figur 1 zeigt eine Skizze eines Verdichters 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem Verdichter handelt es sich um einen Radialverdichter. Dieser Verdichter 1 weist ein Verdichterrad 2, ein

Verdichtergehäuse 3, zu welchem eine Volute 5 und ein Diffusor 6 gehören, und eine Vorrichtung zur Veränderung der

Diffusorbreite 9 auf. Das Verdichterrad 2 weist eine Wellenbohrung 14 auf und ist in Betrieb zusammen mit einer in die Wellenbohrung eingesetzten Welle um die in der Figur 1 gestrichelt gezeichnete Drehachse 15 drehbar. Weiterhin weist das Verdichterrad 2 eine Austrittskante 2a auf. Ferner sind auf dem Verdichterrad 2 Verdichterrad- schaufeln 13 vorgesehen, die jeweils eine Eintrittskante 13a und eine Austrittskante 13b aufweisen.

Das Verdichtergehäuse 3 hat einen Lufteintritt 4, durch welchen die im Verdichter zu verdichtende Luft in das Verdichtergehäuse 3 eintritt und dort in den Bereich des Verdichterrades 2 geleitet wird .

Bei der Vorrichtung zur Veränderung der Diffusorbreite 9 handelt es sich um eine Vorrichtung, welche die Diffusorbreite 9 in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebsparameter des Radialverdichters selbstständig verändert. Bei diesem Be ^¬ triebsparameter handelt es sich beim gezeigten ersten Ausführungsbeispiel um den im Bereich des Diffusors des Verdichters herrschenden Druck oder um eine Druckdifferenz zwischen dem Lufteintritt 4 des Verdichters und dem Diffusor 6.

Bei der Vorrichtung, welche die Diffusorbreite in Abhängigkeit vom momentan im Bereich des Diffusors herrschenden Druck oder der genannten Druckdifferenz selbstständig verändert, handelt es sich um eine Feder 11, die mit einer Diffusorbreiteneinstellwand 12 zusammenwirkt. Die Feder 11 ist zwischen der ortsfesten Rückwand 7 des Diffusors 6 und der genannten

Diffusorbreiteneinstellwand 12 angeordnet. Je größer beispielsweise der momentane Druck im Diffusor ist, desto mehr wird die Feder 11, die mit der in Axialrichtung beweglichen Diffusorbreiteneinstellwand 12 verbunden ist oder an dieser anliegt, zusammengedrückt. Dadurch wird die

Diffusorbreite 9, die zwischen der ortsfesten Vorderwand 8 des Diffusors 6 und der Diffusorbreiteneinstellwand 12 vorliegt, vergrößert .

Nimmt der momentane Druck im Diffusor 6 hingegen ab, dann entspannt sich die zusammengedrückte Feder 11 und verschiebt die in Axialrichtung bewegliche Diffusorbreiteneinstellwand 12 derart, dass die Diffusorbreite 9, die zwischen der ortsfesten Vorderwand 8 des Diffusors und der Diffusorbreiteneinstellwand 12 vorliegt, verkleinert wird.

Bei dem vorstehend anhand der Figur 1 erläuterten Ausführungsbeispiel ist die die Diffusorbreite selbstständig ver ^¬ ändernde Vorrichtung, d. h. die Feder 11 und die Diffusor- breiteneinstellwand 12, im Bereich der Rückwand 7 des Diffusors 6 angeordnet. Alternativ dazu ist es auch möglich, die die

Diffusorbreite selbstständig veränderte Vorrichtung, d. h. die Feder 11 und die Diffusorbreiteneinstellwand 12, im Bereich der Vorderwand 8 des Diffusors anzuordnen. Die Figur 2 zeigt eine Skizze eines Verdichters 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung. Bei diesem Verdichter handelt es sich um einen Radialverdichter.

Bei der Vorrichtung zur Veränderung der Diffusorbreite 9 handelt es sich um eine Vorrichtung, welche die Diffusorbreite 9 in Abhängigkeit von einem momentanen Betriebsparameter des Radialverdichters selbstständig verändert. Bei diesem Be ^¬ triebsparameter handelt es sich beim gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel um die im Bereich des Diffusors des Verdichters herrschende Temperatur.

Bei der Vorrichtung, welche die Diffusorbreite in Abhängigkeit von der momentan im Bereich des Diffusors herrschenden Temperatur selbstständig verändert, handelt es sich um ein Bimetall-Element 10, dessen Länge sich bei einer Veränderung der Temperatur ebenfalls verändert. Das Bimetall-Element 10 bildet bei dem in der Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die dem Lufteintritt 4 des Verdichter ^¬ gehäuses 3 zugewandte Vorderwand des Diffusors 6.

Je größer die momentane Temperatur im Diffusor ist, desto mehr verlängert sich das Bimetall-Element 10 und desto mehr wird der untere Endbereich des Bimetall-Elementes 10, dessen oberer Endbereich an der Volute 5 befestigt ist, in der Figur 2 nach links ausgelenkt. Dadurch wird in diesem unteren Bereich des Diffusors 6 die Diffusorbreite 9, die zwischen der ortsfesten Rückwand 7 des Diffusors 6 und dem Bimetall-Element 10 vorliegt, vergrößert.

Nimmt die momentane Temperatur im Diffusor 6 ab, dann reduziert sich die Länge des Bimetall-Elementes 10, so dass die

Diffusorbreite im unteren Bereich des Diffusors wieder reduziert wird.

Bei dem vorstehend anhand der Figur 2 erläuterten Ausführungsbeispiel ist die die Diffusorbreite selbstständig ver ^¬ ändernde Vorrichtung, d. h. das Bimetall-Element 10, im Bereich der Vorderwand des Diffusors 6 angeordnet. Alternativ dazu ist es auch möglich, die die Diffusorbreite selbstständig verän ^¬ dernde Vorrichtung, d. h. das Bimetall-Element 10, im Bereich der Rückwand des Diffusors 6 anzuordnen.