Verdichterrad für den Verdichter einer Brenn Kraftmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichterrad für den Verdichter einer Brennkraftmaschine.

Abgasturbolader sind bereits bekannt. Sie weisen unter anderem eine Turbine und einen Verdichter auf, wobei die Turbine mit einem Turbinenrad und der Verdichter mit einem Verdichterrad ausgestattet ist.

Des Weiteren ist es bereits bekannt, im Abgassystem einer mit einem Abgasturbolader ausgestatteten Brennkraftmaschine eine Abgasrückführung zu verwenden, um bei Otto- und Dieselmotoren unerwünschte Abgasemissionen, insbesondere Stickoxidemissionen, zu reduzieren. Im Falle einer externen Abgasrückführung erfolgt eine Entnahme des Abgases aus dem Abgassystem. Speziell bei Verwendung einer Niederdruck-Abgasrückführung wird das Abgas nach erfolgter Abgasnachbehandlung stromab eines Partikelfilters entnommen und stromauf des Verdichters des Abgasturboladers wieder zugeführt. Im Verdichter erfolgt eine Vermischung des Abgases mit Frischluft.

Ferner ist es bereits bekannt, die Verdichterräder von Abgasturboladern in PKW-Anwendungen mittels eines Fräsvorganges oder eines Gießvorganges herzustellen. Gefräste Verdichterräder werden üblicherweise aus Al-Knetlegierungen hergestellt.

Im Betrieb eines Kraftfahrzeugs können verschiedene Bestandteile des Abgases Schäden am Verdichterrad verursachen. Ein Schädigungsmechanismus ist eine Korrosion am Verdichterradwerkstoff durch korrosive Elemente im Abgas. Darüber hinaus enthält das Abgas neben Wasserdampf und Kohlendioxid beim Verbrennungsprozess entstandene Schadstoffe sowie Partikel, die aus der Abgasnachbehandlung stammen.

Der Wasserdampf kann in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine kondensieren, so dass sich Wassertropfen bilden. Sowohl die genannten Schadstoffe als auch die Wassertropfen können nach erfolgter Abgasrückführung bei ihrem Auftreffen auf die Schaufeleintrittskanten des Verdichterrads zu Schädigungen in Form von Erosion führen. Derartige Schädigungen des Verdichterrads führen zu einer deutlichen Verschlechterung des Betriebsverhaltens und der Lebensdauer des Abgasturboladers.

Um das Verdichterrad eines Abgasturboladers vor Korrosion sowie Partikel- und Tropfenschäden zu schützen, ist es bereits bekannt, Verdichterräder mit einer Beschichtung zu versehen, insbesondere mit einer sogenannten NiP-Beschichtung (chemisch Nickel).

Um möglichst gute strömungsmechanische Eigenschaften zu erreichen, werden sowohl die Hauptschaufeln als auch -sofern vorhanden- die Splitterschaufeln eines Verdichterrades möglichst dünn und spitz ausgeführt. Dies hat zur Folge, dass auch die Eintrittskanten der Verdichterradschaufeln über ihre gesamte radiale Erstreckung spitz oder geringfügig elliptisch ausgeführt werden. Dabei entspricht die Form einer Hauptschaufeleintrittskante der Form einer gegebenenfalls vorhandenen Splitterschaufeleintrittskante.

Von einer Verdickung der Verdichteradschaufeln zur Verbesserung der Robustheit des Verdichterrades gegenüber Tropfen- und Partikelschlag wird abgesehen, da sich diese Verdickung negativ auf die strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Verdichters auswirken würde.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Verdichter eines Abgasturboladers derart auszubilden, dass im Betrieb des Kraftfahrzeugs durch im Abgas enthaltene Komponenten verursachte Schäden am Verdichterrad reduziert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verdichterrad mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Robustheit des Verdichterrades gegenüber Tropfen- und Partikelschlag im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird bei einer gleichzeitig vernachlässigbaren Verschlechterung der strömungsmechanischen und thermodynamischen Eigenschaften des Verdichters. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt:

- Figur 1 Skizzen eines herkömmlichen Verdichterrades, - Figur 2 Skizzen zweier verschiedener herkömmlicher Verdichterräder,

- Figur 3 Skizzen zur Veranschaulichung des shroudseitigen Endbereichs einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Schaufeleintrittskante einer Verdichterradschaufel,

- Figur 4 Skizzen zur Veranschaulichung der Form einer erfindungsgemäßen Schaufeleintrittskante im Shroudbereich und im Nabenbereich einer Verdichterradschaufel,

- Figur 5 eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Form einer Schaufeleintrittskante im Shroudbereich und im Nabenbereich einer Verdichterradschaufel,

- Figur 6 eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Erfindung und

- Figur 7 eine Skizze zur Veranschaulichung weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt Skizzen eines herkömmlichen Verdichterrades. Dabei zeigt die in der Figur 1 linksseitige Skizze eine perspektivische Darstellung des herkömmlichen Verdichterrades und die rechtsseitige Skizze eine Schnittdarstellung dieses Verdichterrades. Das dargestellte Verdichterrad weist eine sich um eine Mittelachse 1 des Verdichterrades erstreckende Nabe 2 auf. Auf dieser Nabe sind Verdichterradschaufeln 3a und 3b vorgesehen. Vorzugsweise sind die Nabe und die auf ihr vorgesehenen Verdichterradschaufeln monolithisch einstückig ausgebildet und entweder gefräst oder gegossen. Der radial innere Bereich der Nabe 2 ist hohl ausgebildet, so dass die Nabe auf der Welle eines Abgasturboladers befestigt werden kann.

Bei den genannten Schaufeln handelt es sich um Hauptschaufeln 3a und Splitterschaufeln 3b, wobei die Splitterschaufeln 3b jeweils zwischen zwei Hauptschaufeln 3a angeordnet sind. Die Splitterschaufeln 3b sind in Achsrichtung der Mittelachse 1 kürzer und in Radialrichtung niedriger als die Hauptschaufeln 3a ausgebildet. Die Hauptschaufeln 3a weisen Hauptschaufeleintrittskanten 3c auf, die in Radialrichtung oder überwiegend in Radialrichtung verlaufen und einen nabenseitigen Endbereich 4 und einen von der Nabe abgelegenen Endbereich 5 haben. Die Splitterschaufeln 3b weisen Splitterschaufeleintrittskanten 3d auf, die ebenfalls in Radialrichtung oder überwiegend in Radialrichtung verlaufen und einen nabenseitigen Endbereich und einen von der Nabe abgelegenen Endbereich haben, der im montierten Zustand des Verdichterrades der strömungsführenden Kontur des umgebenden Verdichterradgehäuses bzw der Verdichterzarge, dem sogenannten „Shroud“ gegenüberliegen. Der von der Nabe abgelegene Endbereich der Schaufeleintrittskanten wird deshalb in dieser Beschreibung auch als „shroudseitiger Endbereich“ oder „Schroudbereich“ oder „shroudseitiger Endpunkt“ bezeichnet.

Die Schaufeleintrittskanten können dabei von der Nabe 2 weg geradlinig in rein radialer Richtung nach außen verlaufen. Es gibt jedoch aus Ausführungen, bei denen die Schaufeleintrittskanten von der Nabe 2 weg schräg von der geraden Radialrichtung abweichend oder in Bogenform nach außen verlaufen, was hier unter der Formulierung „überwiegend in Radialrichtung“ zusammengefasst ist, wobei diese Formulierung auch einen Verlauf in reiner Radialrichtung miteinschließt.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, sind die Schaufeleintrittskanten sowohl der Hauptschaufeln als auch der Splitterschaufeln jeweils spitz ausgebildet. Alternativ dazu können sie auch elliptisch ausgeführt sein.

Aus der auf der rechten Seite in Figur 1 gezeigten Schnittdarstellung sind insbesondere die Nabe 2 und eine auf dieser Nabe vorgesehene Hauptschaufel 3a ersichtlich. Die Eintrittskante 3c der Hauptschaufel 3a weist in ihrem nabenseitigen Endbereich 4 einen Endpunkt 6 auf, bei dem es sich um den die Nabe mit der Eintrittskante der Hauptschaufel verbindenden Verbindungspunkt handelt. Des Weiteren weist die Eintrittskante 3c der Hauptschaufel 3a in Ihrem von der Nabe 2 radial abgelegenen Endbereich 5 einen Endpunkt 7 auf, bei dem es sich um den shroudseitigen Endpunkt der Eintrittskante der Hauptschaufel handelt.

Die Figur 2 zeigt Skizzen zweier verschiedener herkömmlicher Verdichterräder.

Dabei zeigt die in der Figur 2 linksseitige Skizze eine perspektivische Darstellung des bereits in der Figur 1 gezeigten herkömmlichen Verdichterrades, welches Hauptschaufeln 3a und Splitterschaufeln 3b aufweist. Die auf der rechten Seite in Figur 2 dargestellte Skizze zeigt ein herkömmliches Verdichterrad, welches nur Hauptschaufeln 3a, aber keine Splitterschaufeln 3b aufweist. Die Figur 3 zeigt Skizzen zur Veranschaulichung des shroudseitigen Endbereichs 5 einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Schaufeleintrittskante einer Verdichterradschaufel, bei der es sich um eine Hauptschaufel handelt.

Dabei ist auf der linken Seite in Figur 3 der shroudseitige Endbereich 5 einer herkömmlichen Schaufeleintrittskante dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Schaufeleintrittskante in ihrem shroudseitigen Endbereich elliptisch ausgebildet ist.

Im Unterschied dazu ist auf der rechten Seite von Figur 2 der shroudseitige Endbereich 5 einer erfindungsgemäßen Schaufeleintrittskante dargestellt. Es ist ersichtlich, dass diese Schaufeleintrittskante in ihrem shroudseitigen Endbereich stumpf ausgebildet ist.

In ihrem nabenseitigen Endbereich, der in der Figur 3 nicht dargestellt ist, ist die Schaufeleintrittskante ebenso wie beim Stand der Technik elliptisch ausgeführt.

Im Falle eines Verdichterrades, welches Hauptschaufeln und Splitterschaufeln aufweist, sind die Eintrittskanten der Splitterschaufeln wie beim Stand der Technik über ihre gesamte radiale Erstreckung spitz oder elliptisch ausgebildet. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, die Eintrittskanten der Splitterschaufeln über ihre gesamte radiale Erstreckung stumpf auszubilden, beispielsweise halbkreisförmig.

Die vorstehend beschriebene stumpfe Ausbildung des shroudseitigen Endbereichs der Schaufeleintrittskante einer Hauptschaufel liegt sowohl dann vor, wenn das Verdichterrad Hauptschaufeln und Splitterschaufeln aufweist, als auch dann vor, wenn das Verdichterrad nur Hauptschaufeln, aber keine Splitterschaufeln aufweist. Des Weiteren kann die vorstehend beschriebene stumpfe Ausbildung des shroudseitigen Endbereichs der Schaufeleintrittskante einer Hauptschaufel sowohl bei gefrästen als auch bei gegossenen Verdichterrädern verwendet werden.

Die Figur 4 zeigt Skizzen zur Veranschaulichung der Form einer erfindungsgemäßen Schaufeleintrittskante im Shroudbereich und im Nabenbereich einer Verdichterradschaufel.

Dabei ist auf der linken Seite von Figur 4 eine Skizze gezeigt, in welcher die Ausführung der Schaufeleintrittskante im Shroudbereich im Schnitt senkrecht zur Schaufeleintrittskante veranschaulicht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaufeleintrittskante stumpf, hier speziell halbkreisförmig ausgebildet, wie es durch den gestrichelt dargestellten Kreis angedeutet ist. Dabei gilt für eine stumpfe Ausführung der Schaufeleintrittskante die in Beziehung a/b < 1 wobei „a“ den Abstand des Shaufelendes zum Mittelpunkt M der Verrundung ist und wobei „b“ der senkrecht zu „a“ verlaufende Abstand der Schaufelseitenfläche zum Mittelpunkt M ist. Dabei ist M der Mittelpunkt der Verrundung der Schaufeleintrittskante, der, im Schnitt gesehen, durch den Schnittpunkt der Sehnenlinie der Schaufel mit einer durch die Übergangspunkte zwischen den Schaufel-Seitenflächen und dem Beginn der Verrundung verlaufenden Linie bestimmt ist.

Bei der in der Figur 4 dargestellten Ausführung der Schaufeleintrittskante im Schroudbereich, ist mit dem Buchstaben M der Mittelpunkt des genannten Kreises bzw. Halbkreises bezeichnet und es gilt hier die Beziehung a/b = 1 . In weiteren Ausführungen kann das Verhältnis a/b in vorteilhafter Weise a/b < 0,8, insbesondere auch a/b < 0,5 betragen, was noch stärker abgestumpfte Ausführungen kennzeichnet.

Auf der rechten Seite von Figur 4 ist eine Skizze gezeigt, in welcher die Ausführung der Schaufeleintrittskante im Nabenbereich veranschaulicht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaufeleintrittskante im Nabenbereich spitz, hier speziell elliptisch ausgebildet, wie es durch die dargestellte Ellipse angedeutet ist. Dabei gilt für eine spitze Ausführung die in der Skizze angegebene Beziehung a/b > 1 , beispielsweise a/b = 3.

Bei der in der Figur 4 dargestellten Ausführung der Schaufeleintrittskante im Nabenbereich, ist mit dem Buchstaben M der Mittelpunkt der genannten Ellipse bezeichnet.

Die Figur 5 zeigt eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Form einer Schaufeleintrittskante im Shroudbereich und im Nabenbereich einer Verdichterradschaufel. Auch dieser Skizze ist entnehmbar, dass die Schaufeleintrittskante der dargestellten Verdichterradschaufel in ihrem von der Nabe abgelegenen Endbereich beim Stand der Technik elliptisch, also spitz ausgebildet ist, während sie bei der Erfindung stumpf ausgebildet ist, vorzugsweise halbkreisförmig. Des Weiteren ist dieser Skizze entnehmbar, dass die Schaufeleintrittskante der dargestellten Verdichterradschaufel sowohl beim Stand der Technik als auch bei der Erfindung in ihrem Nabenbereich elliptisch ausgebildet ist.

Die Figur 6 zeigt eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Erfindung.

In dem auf der linken Seite von Figur 6 dargestellten Diagramm ist nach oben die radiale Position r an der Hauptschaufeleintrittskante des Verdichterrades und nach rechts das Verhältnis der Halbachsen a/b aufgetragen. In der auf der rechten Seite von Figur 6 gezeigten Skizze ist eine Schnittdarstellung eines Teils des Verdichterrads gezeigt, aus welcher unter anderem die gesamte radiale Erstreckung der Schaufeleintrittskante ersichtlich ist.

Es ist ersichtlich, dass im äußeren Durchmesserbereich B der Schaufeleintrittskante, d.h. im von der Nabe abgelegenen Endbereich der Schaufeleintrittskante, die Schaufeleintrittskante stumpf ausgebildet ist, während sie im inneren Durchmesserbereich A, d.h. im nabenseitigen Endbereich der Schaufeleintrittskante, elliptisch ausgebildet ist.

Der äußere Durchmesserbereich B entspricht beim dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa der halben radialen Erstreckung der Schaufeleintrittskante. In dem auf der linken Seite von Figur 6 gezeigten Diagramm sind die relevanten Verhältnisse der Halbachsen a/b zu der entsprechenden Position r an der Schaufeleintrittskante in Form von Bereichsfenstern dargestellt. Es können alle geometrischen Formen vorliegen, die innerhalb der Bereichsfenster liegen.

In der Figur 7 sind verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt. Unter anderem ist ein linearer Verlauf des Verhältnisses der Halbachsen a/b über den Verlauf der Schaufeleintrittskante von der Nabe hin zum shroudseitigen Endbereich, d.h. vom Endpunkt 6 des nabenseitigen Endbereichs 4 bis zum Endpunkt 7 des von der Nabe abgelegenen Endbereichs 5 der Schaufeleintrittskante (siehe Figur 6), möglich, wie es auf der linken Seite von Figur 7 veranschaulicht ist. Des Weiteren ist ein unstetiger Wechsel von einer spitzen zu einer stumpfen Form der Schaufeleintrittskante des Verdichterrades möglich, wie es in der Mitte und auf der rechten Seite von Figur 7 veranschaulicht ist. Der Übergang von der elliptischen Form zur stumpfen Form ist geometrisch geglättet ausgeführt. Ferner ist es möglich, den stumpfen Bereich der Schaufeleintrittskante durch eine Kombination aus einer halbkreisförmigen und einer elliptischen Form zu realisieren, wie es in der Figur 7, oben rechts, mit den Buchstaben k und e angedeutet ist. Dabei verlaufen die Seitenflächen der Verdichterschaufeln im Bereich vor dem Übergang zur stumpfen Verrundung der Schaufeleintrittskante über einen Teilbereich auf elliptischer Bahn auf die Schaufeleintrittskante zu.