DE102015103615A1 - Radialverdichter - Google Patents

Abstract

Ein Radialverdichter mit einem Gehäuse und einem drehbar innerhalb des Gehäuses gelagerten Überschall-Verdichterlaufrad, bei dem das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass ausbildet, die derart angeordnet sind, dass das Überschall-Verdichterlaufrad von einem zu verdichtenden Gas in axialer Richtung angeströmt und in radialer Richtung abgeströmt würde, und bei dem zwischen dem Überschall-Verdichterlaufrad und dem Auslass ein ringförmiger, von sich gegenüberliegenden Gehäusewänden begrenzter Diffusorraum (40) ausgebildet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gehäusewände in einem ersten, von dem Überschall-Verdichterlaufrad ausgehenden Abschnitt (48) des Diffusorraums (40) annähern und in einem zweiten, sich an den ersten Abschnitt (48) anschließenden Abschnitt (50) parallel zueinander verlaufen oder sich voneinander entfernen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Radialverdichter, insbesondere einen Radialverdichter zur Aufladung einer Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine kann insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein.
• Das Pkw-Angebot der Automobilhersteller zeigt in den letzten Jahrzehnten einen Trend zur Motorleistungssteigerung. Das liegt zum einen am gestiegenen Fahrleistungsbedarf der Kunden. Zum anderen erfordern die durch höhere Sicherheits- und Komfortanforderungen gestiegenen Fahrzeuggewichte leistungsgesteigerte Motoren. Die Erhöhung der Leistung erfolgt dabei in der Regel nicht auf dem klassischen Weg über eine Maximaldrehzahl- und/oder Hubraumerhöhung, sondern durch eine Motoraufladung.
• Vor allem in den letzten zehn Jahren hat sich die Motoraufladung im Rahmen des sogenannten „Downsizings“, aber auch als Maßnahme zur Verbrauchsreduzierung durchgesetzt. Beim Downsizing wird der Hubraum des Verbrennungsmotors mit dem Ziel reduziert, den absoluten Kraftstoffverbrauch zu senken. Die Hubraumreduzierung hat aber tendenziell eine Leistungsabnahme zur Folge, die durch den Einsatz einer Aufladung kompensiert oder sogar überkompensiert werden kann.
• Eine Motoraufladung kann mittels einer sogenannten mechanischen Aufladung oder mittels einer Abgasturboaufladung umgesetzt werden. Das Hauptunterscheidungsmerkmal beider Varianten ist die Art des Antriebs des Verdichters. Bei der Abgasturboaufladung wird der Verdichter über eine in den Abgasstrang des Motors integrierte Turbine angetrieben und diese wiederum durch den Abgasmassenstrom. Bei der mechanischen Aufladung wird der Verdichter von dem Motor direkt, in der Regel von der Kurbelwelle mittels eines Riementriebs, angetrieben. Die bei den beiden unterschiedlichen Aufladevarianten zum Einsatz kommenden Verdichterbauarten können sich ebenfalls unterscheiden. Während für die Abgasturboaufladung ausschließlich Strömungslader verwendet werden, kommen bei der mechanischen Aufladung auch Verdrängerlader zum Einsatz. Als Strömungslader werden im PKW-Bereich ausschließlich Radialverdichter eingesetzt; Axialverdichter dagegen aus Gründen des schlechteren Wirkungsgrads nicht.
• Ein Radialverdichter gehört im Gegensatz zu einer Turbine zur Gruppe der Arbeitsmaschinen. Er überträgt Energie auf das diesen durchströmende Gas, welches axial in den Verdichter ein- und radial ausströmt. Dazu umfasst ein Radialverdichter ein Gehäuse, das einen Einlass sowie einen Auslass ausbildet. Innerhalb eines Strömungsraums des Gehäuses ist ein Verdichterlaufrad drehbar gelagert. Dieses unterteilt den Strömungsraum in den den Einlass umfassenden Unterdruckraum sowie in den den Auslass umfassenden Überdruckraum. Der Überdruckraum setzt sich zusammen aus dem sich in Strömungsrichtung der Gasströmung an das Verdichterlaufrad anschließenden Diffusor, der sich daran anschließenden sogenannten Spirale und dem den Auslass ausbildenden Stutzendiffusor. Die Spirale hat die Aufgabe, die Strömung am Umfang des Diffusors aufzunehmen und dann zu dem Stutzendiffusor, der den statischen Druck weiter erhöht, weiterzuleiten.
• Der Diffusor hat die Aufgabe, die vom Verdichterlaufrad erzeugte kinetische Energie der Gasströmung für den statischen Druckaufbau zu verwenden. Dafür kann sowohl ein unbeschaufelter als auch ein beschaufelter Diffusor eingesetzt werden. Beschaufelte Diffusoren haben etwa ab einem Abströmwinkel von kleiner als 30° den Vorteil eines höheren Wirkungsgrades im Vergleich zu unbeschaufelten Diffusoren. Zu begründen ist das durch den längeren Strömungsweg, den ein Gas in einem schaufellosen Diffusor zurücklegt. Durch die Drall- und Massenerhaltung strömt nämlich das Fluid in einem parallelwandigen Diffusor auf einer logarithmischen Spirale nur allmählich nach außen. Dagegen wird der Gasströmung bei einem beschaufelten Diffusor der Weg vorgegeben, wodurch die Reibungsverluste aufgrund der kürzeren Strecke sinken. Die Beschaufelung eines Diffusors hat jedoch den Nachteil, dass sich die Breite des Verdichterkennfelds verringert. Die rechte Kennfeldseite, die bei dem maximal durchsetzbaren Massenstrom als Stopfgrenze bezeichnet wird, verschiebt sich nach links, da der Strömungsquerschnitt im Diffusor durch die Beschaufelung einer Verkleinerung unterliegt. Auch die Pumpgrenze verlagert sich dabei. Sie beginnt bei größeren Massenströmen. Die Beschaufelung erzeugt nämlich einen höheren Strömungswiderstand, wodurch die Gasströmung stärker verzögert wird und damit früher ablöst.
• Bei Flugtriebwerken kommen Axialverdichter zum Einsatz. Diese unterscheiden sich von den Radialverdichtern neben der Bauart durch eine besondere Funktionsweise. So arbeiten diese im Gegensatz zu den Radialverdichtern im Trans- und Überschall. Bereits seit 1968 werden in Flugzeugtriebwerken Axialverdichter mit einer Überschallfunktionsweise eingesetzt. Diese Technologie erhöhte die Gesamtdruckverhältnisse je Verdichterstufe, wodurch neben der Erhöhung der Leistungsdichten eine Reduzierung der Anzahl an Verdichterstufen möglich wurde.
• Überschall-Axialverdichter erzeugen bei ausreichender Drehzahl durch Übergang vom absoluten zum relativen Bezugssystem eine relative Überschallströmung am Laufradeintritt. Ebenso kann am Laufradaustritt durch Wechsel vom Relativ- zum Absolutsystem eine Überschallströmung entstehen. Verdichter mit dieser Funktionsweise werden als Transsonikverdichter bezeichnet, da diese nur im Außenschnitt Überschall erreichen. Im Nabenschnitt bleibt die Strömung jedoch aufgrund der niedrigeren Umfangsgeschwindigkeit des Verdichterlaufrads im Unterschall.
• Auch beim Radialverdichter kann äquivalent zu den axialen Transsonikverdichtern durch eine Erhöhung der Drehzahl eine Überschallströmung am Laufradeintritt und/oder -austritt erzeugt werden. Diese Art der Überschallerzeugung bedingt jedoch sehr hohe Drehzahlen des Verdichterlaufrads, die höher als die Belastungsgrenze konventioneller im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter Verdichter liegt. Damit ist die Überschallfunktionsweise der in Flugzeugtriebwerken eingesetzten Axialverdichter zwar grundsätzlich auf Radialverdichter übertragbar. Verwendbar sind Radialverdichter mit dieser Technologie mit den derzeit verwendeten Werkstoffen (hauptsächlich Aluminiumlegierungen) jedoch nicht.
• Die US 3,010,642 offenbart eine alternative Möglichkeit zur Realisierung einer Überschallfunktionsweise bei Radialverdichtern, die somit nicht auf einer Erhöhung der Drehzahl beruht. Der darin beschriebene Radialverdichter beruht auf einer speziellen Konstruktion des Verdichterlaufrads. Dieses unterscheidet sich von den sonst in Radialverdichtern verwendeten Verdichterlaufrädern durch die Form der zwischen den Laufradschaufeln ausgebildeten Laufradkanäle. Diese spezielle Form der Laufradkanäle ermöglicht eine Erzeugung von Überschall im Relativsystem und damit eine Beschleunigung der Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit der Gasströmung auf Überschall. Das dafür vorgesehene Verdichterlaufrad weist vergleichbar zu einer Lavaldüse gestaltete Laufradkanäle auf, wodurch die Meridiankomponente unabhängig von der Drehzahl des Verdichterlaufrads Überschall erreichen kann. Die Drehzahl beeinflusst dabei vielmehr lediglich den Druckverlauf in den Laufradkanälen. Im Gegensatz zu einer Lavaldüse müssen in der Auslegung der Laufradkanäle jedoch auch die durch die Drehung des Laufrades erzeugten Zentrifugalkräfte berücksichtigt werden. Zudem tritt in diesen Laufradkanälen im Vergleich zu einer Gasströmung in einer Lavaldüse aufgrund der Zentrifugalkräfte ein weniger starker Druckabbau auf.
• Das aus der US 3,010,642 bekannte Verdichterlaufrad weist ein im Vergleich zu konventionellen Laufrädern relativ niedriges Laufrad-Druckverhältnis von 0,91 auf. Dies ist dadurch bedingt, dass konventionelle Laufräder die Strömung bereits verzögern. Die Verzögerung erfolgt also nicht nur im Diffusor eines entsprechenden Radialverdichters. Das aus der US 3,010,642 bekannte Verdichterlaufrad beschleunigt dagegen die Gasströmung. Die Verzögerung der Gasströmung erfolgt somit nur in dem Diffusor des Radialverdichters.
• Aus der DE 1053714 ist ein Radialverdichter mit beschaufeltem Diffusor bekannt, wobei einem die Leitschaufeln umfassenden Abschnitt des Diffusors ein unbeschaufelter Leitkanal vorgeschaltet ist. Dieser Leitkanal soll dazu dienen, die Gasströmung von einer Überschallgeschwindigkeit auf eine Unterschallgeschwindigkeit zu verzögern. Dadurch soll ein Auftreten von Verdichtungsstoßwellen beim Übergang von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit verhindert und daraus folgend ein hoher Wirkungsgrad ermöglicht werden.
• Weiterhin ist aus der US 3,604,818 ein Radialverdichter für eine Gasturbine bekannt, bei dem sich ein das Verdichterlaufrad umgebender Diffusor aus einer Vielzahl von jeweils tangential zum Außenumfang des Verdichterlaufrads ausgerichteten Diffusorkanälen zusammensetzt. Die Diffusorkanäle weisen einen rechteckigen Querschnitt auf, der sich, bezogen auf die Strömungsrichtung des verdichteten Gases, vergrößert. Angegeben ist, dass die Gasströmung das Verdichterlaufrad mit Überschallgeschwindigkeit abströmen soll.
• Aus der JP 3260399 A ist ein Radialverdichter mit einem ringförmigen Diffusor bekannt, bei dem sich die beiden den Diffusor begrenzenden Wände in einem ersten, sich an das Verdichterlaufrad anschließenden Abschnitt derart linear annähern, dass der Strömungsquerschnitt konstant bleibt, während diese in einem zweiten Abschnitt parallel verlaufen, was infolge der Ringform des Diffusors bei zunehmenden radialen Abstand zu dem Verdichterlaufrad zu einer Vergrößerung des Strömungsquerschnitts führt.
• Und schließlich ist aus der DE-OS 1 628 227 ein Radialverdichter mit einem schaufellosen Diffusor bekannt, wobei in einem Abschnitt des Diffusors eine Querschnittsverringerung des freien Strömungsraums durch eine bogenförmig verlaufende Ausbuchtung von einer oder den beiden den Diffusor ausbildenden Gehäusewänden vorgesehen ist.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Funktionsweise eines Radialverdichters zu verbessern und insbesondere die durch diesen erzielbare Druckerhöhung des zu fördernden Gases anzuheben, ohne dass es dazu einer größeren Dimensionierung des Radialverdichters oder einer Erhöhung der Antriebsleistung für den Radialverdichter bedarf.
• Diese Aufgabe wird mittels eines Radialverdichters gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
• Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die gestellte Aufgabe gelöst werden kann, wenn eine von einem Verdichterlaufrad mit Überschallgeschwindigkeit abströmende Gasströmung möglichst verlustarm auf Unterschall verzögert wird.
• Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist, dass eine solche möglichst verlustarme Verzögerung der Gasströmung erreicht werden kann, wenn ein nach dem umgekehrten Lavaldüsen-Prinzip arbeitender Stoßdiffusor, wie er von Axialverdichtern bekannt ist, abgewandelt und dabei an die besonderen Bedingungen für einen Diffusor eines Radialverdichters angepasst wird. Es wurde dabei erkannt, dass ein solcher Diffusor dazu die Gasströmung nicht nur im Überschallbereich verzögern muss, dieser also nicht nur als Überschalldiffusor fungieren soll, sondern zudem die Gasströmung bis auf Unterschall verlangsamt werden muss. Es wurde weiterhin erkannt, dass dadurch im Vergleich zu demjenigen Diffusor, der bei dem Radialverdichter gemäß der US 3,010,642 zum Einsatz kommt, zumindest der statische Wirkungsgrad und/oder der Totaldruckverlust verbessert werden kann.
• Diese Grundgedanken und Erkenntnisse zu der Erfindung lassen sich allgemein dadurch umsetzen, dass bei einem Radialverdichter, der zumindest ein Gehäuse und ein drehbar innerhalb des Gehäuses gelagertes Überschall-Verdichterlaufrad umfasst, wobei das Gehäuse einen Einlass und einen Auslass ausbildet, die derart angeordnet sind, dass das Überschall-Verdichterlaufrad von einem zu verdichtenden Gas in axialer Richtung angeströmt und in radialer Richtung abgeströmt würde, und wobei zwischen dem Überschall-Verdichterlaufrad und dem Auslass ein um das Überschall-Verdichterlaufrad zumindest teilweise umlaufender, (teil-)ringförmiger, von sich gegenüberliegenden Gehäusewänden begrenzter Diffusorraum ausgebildet ist, die Gehäusewände in einem ersten, von dem Überschall-Verdichterlaufrad ausgehenden Abschnitt des Diffusorraums sich annähern und in einem zweiten, sich an den ersten Abschnitt (in radialer Richtung bezüglich einer Rotationsachse des Überschall-Verdichterlaufrads) anschließenden Abschnitt parallel zueinander verlaufen oder sich voneinander entfernen. Dabei ist der parallele oder sich voneinander entfernende radiale Verlauf der Gehäusewände in dem zweiten Abschnitt infolge der ringförmigen Ausgestaltung des Diffusorraums stets mit einer Vergrößerung des von diesem ausgebildeten Strömungsquerschnitts verbunden.
• Unter einem „Überschall-Verdichterlaufrad“ wird erfindungsgemäß ein Verdichterlaufrad verstanden, dass konstruktiv so ausgelegt ist, dass mittels diesem die Beschleunigung der Gasströmung und insbesondere der Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit der Gasströmung zum Zeitpunkt des Abströmens des Verdichterlaufrads auf Überschallgeschwindigkeit möglich ist.
• Dazu kann bevorzugt vorgesehen sein, dass der Strömungsquerschnitt mindestens eines zwischen zwei Laufradschaufeln ausgebildeten Laufradkanals und vorzugsweise die Strömungsquerschnitte mehrerer oder aller dieser Laufradkanäle sich in zumindest einem an einen Laufradeintritt anschließenden Abschnitt und vorzugsweise über die gesamte Länge des/der Laufradkanals/-kanäle in Strömungsrichtung (vorzugsweise kontinuierlich) verkleinern, wie dies grundsätzlich aus der US 3,010,642 bekannt ist. Jedoch kann auch ein konventionell ausgebildetes Verdichterlaufrad, das grundsätzlich dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Strömungsquerschnitte von dessen Laufradkanälen ausgehend von dem Laufradeintritt in zumindest einem Abschnitt und insbesondere über die gesamte Laufradkanallänge kontinuierlich vergrößern, als Überschall-Verdichterlaufrad ausgebildet werden, wenn ein solches konstruktiv so ausgelegt wird, dass in Abhängigkeit von dessen geometrischer Dimensionierung so hohe Drehzahlen ermöglicht sind, dass die angestrebte Überschallgeschwindigkeit der Gasströmung erreicht wird. Dabei scheint möglich, dass auch die Meridiankomponente der Gasströmung Überschallgeschwindigkeit erreichen kann, wobei eine dauerhafte Beschleunigung der Meridiankomponente auf Überschall nur durchführbar zu sein scheint, wenn die gesamte durchströmte Querschnittsfläche an einer Stelle des Laufradkanals / der Laufradkanäle im Bereich von Ma = 1 liegt. Bei einer solchen konstruktiven Auslegung eines konventionellen Verdichterlaufrads kann insbesondere die Materialwahl eine relevante Rolle spielen, weil durch die Verwendung von hochfesten (insbesondere metallischen) Materialien, die gleichzeitig eine relativ geringe Dichte aufweisen, höhere Maximaldrehzahlen für Verdichterlaufräder erreicht werden können, als dies bei den klassischen Konstruktionsmaterialien (insbesondere Aluminiumlegierungen) für Verdichterlaufräder der Fall ist.
• Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt und/oder eine Entfernung der Gehäusewände voneinander in dem zweiten Abschnitt kontinuierlich und insbesondere linear ist. Dies kann sich vorteilhaft auf die Gasströmung in diesem/diesen Abschnitt(en) auswirken. Zudem kann dies Vorteile hinsichtlich der Herstellbarkeit des Radialverdichters bringen.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radialverdichters kann vorgesehen sein, dass sich der Strömungsquerschnitt des Diffusorraums über der radialen Höhe des ersten Abschnitts verkleinert. Dazu sollte demnach die Annäherung der Gehäusewände in diesem ersten Abschnitt so groß gewählt sein, dass diese die Vergrößerung des Strömungsquerschnitts, die sich durch die (Teil-)Ringform des Diffusorraums in Verbindung mit einem zunehmenden Abstand von der Rotationsachse des Überschall-Verdichterlaufrads ergibt, überkompensiert. Dadurch kann erreicht werden, dass der erste Abschnitt des Diffusorraums als Überschalldiffusor wirkt und die Entstehung von Verdichtungsstößen verhindern kann.
• Die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt und/oder eine Entfernung der Gehäusewände voneinander in dem zweiten Abschnitt kann vorzugsweise beidseitig ausgebildet sein, so dass die sich gegenüberliegenden Gehäusewände jeweils einen Verlauf in radialer Richtung aufweisen, der zu einer Annäherung an eine zwischen diesen liegende Radialebene führt. Dies kann sich besonders vorteilhaft auf die Realisierung eines möglichst hohen Wirkungsgrads und/oder eines möglichst geringen Totaldruckverlusts in dem Diffusor auswirken.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radialverdichters kann vorgesehen sein, dass der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt auf mindestens halber radialer Höhe des Diffusorraums angeordnet ist. Dadurch kann vielfach sichergestellt werden, dass die Gasströmung bis zum Erreichen des Übergangs bis auf Unterschall verzögert wird, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Verdichters und/oder den Totaldruckverlust auswirken kann.
• Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt abgewinkelt ausgebildet ist. Dies kann sich zum einen vorteilhaft auf die gewünschte Strömungsführung innerhalb des Diffusorraums auswirken. Weiterhin kann dies die Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Radialverdichters vereinfachen. Die Ausgestaltung mit einem (mit konstantem oder variierendem Radius) gerundeten Übergang ist ebenfalls möglich.
• In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Radialverdichters kann vorgesehen sein, dass der Diffusorraum unbeschaufelt ist, weil dies in Kombination mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Diffusorraums zur Realisierung besonders hoher Wirkungsgrade und/oder besonders geringer Totaldruckverluste führen kann.
• Die Erfindung betrifft weiterhin einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem erfindungsgemäßen Radialverdichter. Dabei bildet die Turbine ein Gehäuse und ein Turbinenlaufrad aus, wobei das Turbinenlaufrad direkt, beispielsweise über eine Welle, oder indirekt über ein Getriebe mit dem Verdichterlaufrad verbunden ist, um dieses antreiben zu können.
• Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Frischgasstrang, einem Abgasstrang und einem erfindungsgemäßen Radialverdichter beziehungsweise einem erfindungsgemäßen Abgasturbolader. Über den Frischgasstrang kann dem Verbrennungsmotor Frischgas, das zuvor mittels des erfindungsgemäßen Radialverdichters verdichtet worden ist, zugeführt werden, das anschließend in Brennräumen des Verbrennungsmotors zusammen mit Kraftstoff verbrannt werden kann. Das dabei erzeugte Abgas kann über den Abgasstrang der Brennkraftmaschine abgeführt werden, wobei dieses gegebenenfalls die in den Abgasstrang integrierte Turbine eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers durchströmt, dabei das Turbinenlaufrad rotierend antreibt, wodurch wiederum das Verdichterlaufrad des Verdichters rotierend angetrieben wird, um die Verdichtung des Frischgases zu bewirken.
• Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
• Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
• 1: in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem einen erfindungsgemäßen Radialverdichter umfassenden Abgasturbolader;
• 2: in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen mechanisch angetriebenen Radialverdichter;
• 3: ein erfindungsgemäßer Radialverdichter in einem Längsschnitt;
• 4: der Radialverdichter gemäß der 3 in einer teilweise geschnittenen Ansicht von vorne;
• 5: eine erste mögliche Ausgestaltung des Diffusorraums des Radialverdichters gemäß den 3 und 4 in einer vergrößerten Darstellung des mit V gekennzeichneten Ausschnitts in der 3;
• 6: eine zweite mögliche Ausgestaltung des Diffusorraums des Radialverdichters gemäß den 3 und 4 in einer vergrößerten Darstellung des mit VI gekennzeichneten Ausschnitts der 3;
• 7: einen schematischen Vergleich von Diffusoren und Düsen für Unterschallströmungen und Überschallströmungen;
• 8: schematisch die Ausbildung von Verdichtungsstößen in einem Stoßdiffusor;
• 9: schematisch die verschiedenen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit einer Gasströmung im Bereich des Eintritts und des Austritts eines Verdichterlaufrads;
• 10: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer ersten Variante eines Diffusors gemäß der 5;
• 11: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer zweiten Variante eines Diffusors gemäß der 5;
• 12: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer dritten Variante eines Diffusors gemäß der 5;
• 13: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer ersten Variante eines Diffusors gemäß der 6;
• 14: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer zweiten Variante eines Diffusors gemäß der 6; und
• 15: der Verlauf der Machzahl, der Dichte und des Totaldruckverlustes bei einer dritten Variante eines Diffusors gemäß der 6.
• Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 10, der eine Mehrzahl von Zylindern 12 ausbildet. Die Zylinder 12 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht sichtbar) Brennräume, in denen Frischgas (Luft) gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird, wodurch die Kolben zyklisch auf und ab bewegt werden. Diese Bewegung der Kolben wird in bekannter Weise auf eine in der 1 nicht dargestellte Kurbelwelle 14 (vgl. 2) übertragen und diese somit rotierend angetrieben. Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 10 über einen Frischgasstrang zugeführt, in den ein erfindungsgemäßer Radialverdichter 16 als Teil eines Abgasturboladers integriert ist. Das Frischgas wird mittels des Radialverdichters 16 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 18 abgekühlt und, gesteuert durch eine Drosselklappe 20, den Brennräumen zugeführt.
• Der Antrieb des Radialverdichters 16 erfolgt mittels einer Turbine 22, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 entsteht, wird über den Abgasstrang von dem Verbrennungsmotor 10 abgeführt und durchströmt dabei die Turbine 22. Dies führt in bekannter Weise zum rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads, das wiederum über eine Welle 24 drehfest mit einem Verdichterlaufrad des Radialverdichters 16 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads wird somit auf das Verdichterlaufrad übertragen. Um beim Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit hohen Drehzahlen und Lasten den Druckaufbau im Frischgasstrang zu begrenzen, ist die Turbine 22 in bekannter Weise mittels eines sogenannten Wastegates 26 umgehbar.
• Bei der Brennkraftmaschine gemäß der 2 wird der in den Frischgasstrang integrierte Radialverdichter 16 mechanisch, d.h. direkt von der Kurbelwelle 14 des Verbrennungsmotors 10 mittels eines Riementriebs 28 angetrieben. Da hierbei die Drehzahl des Verdichterlaufrads proportional zur Drehzahl der Kurbelwelle 14 des Verbrennungsmotors 10 ist, besteht die Möglichkeit, den Druckaufbau mittels des Radialverdichters 16 bei hohen Drehzahlen der Kurbelwelle 14 mittels eines Verdichterbypasses 30 in bekannter Weise zu begrenzen.
• Die 3 und 4 zeigen eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Radialverdichters 16, wie er beispielsweise bei Brennkraftmaschinen gemäß den 1 und 2 zum Einsatz kommen kann. Dieser Radialverdichter 16 umfasst ein Gehäuse 32 und ein drehbar innerhalb des Gehäuses 32 gelagertes Verdichterlaufrad 34. Das Gehäuse 32 bildet einen Einlass 36 und einen Auslass (nicht sichtbar) aus. Der Auslass wird von einem Stutzendiffusor (nicht sichtbar) ausgebildet, der tangential von dem als so genannte Spirale 38 bezeichneten, von dem Gehäuse 32 begrenzten Ringraum abgeht, der das Verdichterlaufrad 34 radial umgibt. Der Übergang von dem Verdichterlaufrad 34 zu der Spirale 38 wird von einem das Verdichterlaufrad 34 radial umgebenden, von dem Gehäuse 32 begrenzten Diffusorraum 40 ausgebildet, der im Vergleich zu der Spirale 38 einen deutlich kleineren Strömungsquerschnitt für die Strömung des zu verdichtenden Frischgases und auch ein deutlich kleineres Volumen aufweist. Dieser Diffusorraum 40 dient dazu, die das Verdichterlaufrad 34 mit Überschallgeschwindigkeit abströmende Gasströmung auf Unterschall zu verzögern und gleichzeitig den Druck des Frischgases zu erhöhen, um die gewünschte Verdichtungswirkung des Radialverdichters 16 zu erreichen.
• Bei dem Verdichterlaufrad 34 des Radialverdichters gemäß den 3 und 4 handelt es sich um ein Überschall-Verdichterlaufrad 34, weil dieses aufgrund seiner Auslegung in der Lage ist, die den Radialverdichter 16 durchströmende Gasströmung und insbesondere auch die Meridiankomponente c_m der Absolutgeschwindigkeit dieser Gasströmung unabhängig von der Drehzahl n des Verdichterlaufrads 34 auf Überschall zu beschleunigen. Dazu ist vorgesehen, dass die (senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Frischgasströmung gelegenen) Strömungsquerschnitte von Laufradkanälen 42, die von benachbarten Laufradschaufeln 44 des Verdichterlaufrads 34 sowie von dem Gehäuse 32 begrenzt werden, sich ausgehend von einem Eintritt des Verdichterlaufrads 34 hin zu einem Austritt des Verdichterlaufrads 34 verkleinern, wozu infolge des sich mit zunehmendem radialen Abstand von der Rotationsachse 46 des Verdichterlaufrads 34 vergrößernden Abstands zwischen benachbarten Laufradschaufeln 44 eine sich über der Länge der Laufradkanäle 42 (in Strömungsrichtung) so stark verkleinernde Tiefe der Laufradkanäle 42 vorgesehen ist, dass die tendenziell mit zunehmendem radialen Abstand von der Rotationsachse 46 erfolgende Vergrößerung der Strömungsquerschnitte der Laufradkanäle 42 überkompensiert wird.
• Eine solche Ausgestaltung eines Verdichterlaufrads 34 und die Tatsache, dass mit einem solchen Verdichterlaufrad 34 eine Beschleunigung auch der Meridiankomponente c_m einer durch einen solchen Radialverdichter 16 geführten Gasströmung auf Überschall erfolgen kann, ist grundsätzlich aus der US 3,010,642 bekannt. Diese angestrebte Überschallwirkung des Verdichterlaufrads 34 beruht auf dem Prinzip einer Lavaldüse, bei der es sich um das einzige strömungsführende Bauteil handelt, mittels dessen eine Gasströmung ohne Zufuhr von potentieller Energie von Unterschall auf Überschall beschleunigt werden kann. Eine solche Lavaldüse ist grundsätzlich durch einen ersten Abschnitt gekennzeichnet, in dem sich der Strömungsquerschnitt verringert. In einem sich an den ersten Abschnitt in Strömungsrichtung der Gasströmung anschließenden zweiten Abschnitt vergrößert sich der Strömungsquerschnitt wieder. Dabei muss, um eine Beschleunigung der Gasströmung bis auf Überschall erreichen zu können, der Übergang zwischen diesen beiden Abschnitten, in dem der Strömungsquerschnitt am kleinsten ist, dort angeordnet sein, wo die Gasströmung die Schallgeschwindigkeit überschreitet.
• Für das Verdichterlaufrad 34 gemäß den 3 und 4 ist nicht erforderlich, dass sich die Laufradkanäle 42 nach einem ersten, sich verjüngenden Abschnitt wieder aufweiten, um ein Abströmen des Verdichterlaufrads 34 mit Überschallgeschwindigkeit auch hinsichtlich der Meridiankomponente c_m erreichen zu können. Dies ist darin begründet, dass, anders als bei einer Lavaldüse, die potentielle Energie der Gasströmung nicht im Wesentlichen gleich bleibt, sondern erheblich durch den drehenden Antrieb des Verdichterlaufrads 34 und die damit bewirkte Beschleunigung der Gasströmung erhöht wird.
• Wird eine Überschall- mit einer Unterschallströmung verglichen, ist grundsätzlich festzustellen, dass sich diese gegensätzlich zueinander verhalten. Beispielsweise erfährt eine Unterschallströmung in einem geraden Rohr mit konstantem Querschnitt bei kompressibler Betrachtungsweise aufgrund der Reibung eine Abnahme des statischen Drucks und dadurch bedingt eine Geschwindigkeitssteigerung sowie einen Temperaturrückgang. Wird dagegen dieses Rohr mit Überschall durchströmt, fällt die Strömungsgeschwindigkeit und es steigt der statische Druck sowie die Temperatur. Desweiteren benötigt eine Überschallströmung für deren Verzögerung und Beschleunigung eine andere Diffusor- und Düsenform als eine Unterschallströmung. Ein Unterschalldiffusor, also ein Diffusor für Unterschallströmungen, besitzt eine Strömungsquerschnittserweiterung und eine Unterschalldüse eine Strömungsquerschnittsverjüngung, wie die 7 zeigt. Umgekehrt dazu bedarf es für einen Überschalldiffusor eine Strömungsquerschnittsverjüngung und für Überschalldüse eine Strömungsquerschnittserweiterung (vgl. 7). Demnach wirkt ein Diffusor für eine Unterschallströmung im Überschall als Düse und umgekehrt.
• Der Grund für diese unterschiedlichen Geometrieformen von Diffusoren beziehungsweise Düsen für Überschall beziehungsweise Unterschall liegt im Verhalten der Luftdichte ρ, da diese beispielsweise in einem Überschalldiffusor stärker steigt, als die Geschwindigkeit v abnimmt. Folglich muss sich gemäß der Kontinuitätsgleichung der Strömungsquerschnitt (die Strömungsquerschnittsfläche) A verkleinern: A = ṁ / ϱ·ν
• Ist beabsichtigt, eine Luftströmung von Überschall auf Unterschall wirkungsgradoptimal zu verzögern, sind die in der 7 dargestellten Diffusoren so zusammenzufügen, dass die Luftströmung zunächst den Überschall- und anschließend den Unterschalldiffusor durchquert (Stoßdiffusor). Äquivalent dazu bedarf es für die Beschleunigung einer Strömung von Unterschall auf Überschall einer Aneinanderreihung der Unterschall- und Überschalldüse (Lavaldüse). Jedoch kann eine Verzögerung auf Unterschall und eine Beschleunigung auf Überschall nur erreicht werden, wenn die Strömung im engsten Querschnitt der Geometrie, dem kritischen Strömungsquerschnitt A_kritisch, das kritische Druckverhältnis π_kritisch = 1,89 und damit Ma = 1 erreicht:

  
• In einer Lavaldüse verläuft der Beschleunigungsvorgang stetig; es tritt kein Verdichtungsstoß auf. Allerdings muss dafür der Austrittsquerschnitt an den Gegendruck angepasst werden. Dagegen entsteht in einem Stoßdiffusor immer mindestens ein Verdichtungsstoß. Der Vorgang ist also unstetig und dadurch sehr verlustbehaftet. Zur Minimierung der Verluste ist es daher sinnvoll, den zumindest bei drallfreier Zuströmung zur Erreichung der Unterschallgeschwindigkeit notwendigen senkrechten Verdichtungsstoß klein zu halten. Das wird durch mehrere schräge Verdichtungsstöße erreicht, die die Machzahl vor der Entstehung des senkrechten Stoßes soweit wie möglich reduzieren. Dies ist schematisch in der 8 verdeutlicht.
• Die Erzeugung einer Überschallströmung in einem Radialverdichter ist grundsätzlich auch durch eine Drehzahlerhöhung möglich. Ist diese genügend groß, wird im Laufradeintritt und -austritt Überschallgeschwindigkeit erreicht. Eine Erhöhung der Drehzahl n des Verdichterlaufrads führt nämlich zu einer Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit am Laufradeintritt (u₁) und -austritt (u₂). Wird der Vektor u₁ nun mit der absoluten Zuströmgeschwindigkeit c₁ gemäß dem Geschwindigkeitsdreieck in der 9 addiert, ergibt sich bei ausreichender Drehzahlerhöhung eine Überschall-Relativgeschwindigkeit w₁ im Laufradeintritt. Ist die Vektorsumme aus Relativgeschwindigkeit w₂ und Umfangsgeschwindigkeit u₂ ausreichend groß, erreicht die Absolutgeschwindigkeit c₂ Überschall. Die Entstehung von Überschall am Laufradeintritt und -austritt ergibt sich also durch den Wechsel auf ein anderes Bezugssystem. Am Laufradeintritt ist der Übergang von einem absoluten zu einem relativen Bezugssystem und am Laufradaustritt von einem relativen zu einem absoluten Bezugssystem durchführbar. Diese Überschallgasströmungen haben gemeinsam, dass zwar die Relativ- und/oder Absolutkomponente der Gasströmung durch Vektoraddition beziehungsweise durch Änderung des Bezugssystems auf Überschall beschleunigt wird, die Meridiankomponente c_m erreicht aber maximal Ma = 1. Sie ist nämlich sowohl für das relative als auch für das absolute Bezugssystem gleich. Aus diesem Grund muss in der Regel (zumindest wenn die Durchströmung eines Verdichterlaufrads isoliert betrachtet wird) die Geometrie der Laufradkanäle an die Dichteänderung der Gasströmung angepasst werden. Dies bedeutet, dass die Form der Laufradkanäle entsprechend einer Lavaldüse ausgestaltet werden sollten. Damit kann die Meridiankomponente c_m der Absolutgeschwindigkeit der Gasströmung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, da nur eine Lavaldüse einer Gasströmung ohne Bezugssystemwechsel die Überschreitung der Schallgeschwindigkeit ermöglicht.
• Das Verdichterlaufrad 34 des Radialverdichters 16 gemäß den 3 und 4 nutzt dieses aus und sieht eine entsprechende Ausgestaltung der Laufradkanäle 42 in Form einer Lavaldüse vor, wodurch die Meridiankomponente c_m unabhängig von der Drehzahl n des Verdichterlaufrads 34 Überschallgeschwindigkeit erreichen kann. Die Drehzahl n beeinflusst lediglich den Druckverlauf in den Laufradkanälen 42. Im Gegensatz zu einer Lavaldüse müssen bei der Auslegung der Laufradkanäle 42 jedoch auch die durch die Drehung des Verdichterlaufrads 34 erzeugten Zentrifugalkräfte berücksichtigt werden. Zudem tritt in solchen Laufradkanälen 42 im Vergleich zu einer Lavaldüse aufgrund der Zentrifugalkräfte ein weniger starker Druckabbau auf.
• Während der Diffusorraum bei dem Radialverdichter gemäß der US 3,010,642 durch einen parallelen oder sich bis hin zur Spirale 38 annähernden Verlauf der diesen begrenzenden Gehäusewände gekennzeichnet ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Radialverdichter 16 vorgesehen, dass eine solche Annäherung lediglich in einem ersten, von dem Verdichterlaufrad 34 in radialer Richtung ausgehenden Abschnitt 48 vorgesehen ist, während in einem sich an den ersten Abschnitt 48 anschließenden zweiten Abschnitt 50 die den Diffusorraum 40 begrenzenden Gehäusewände parallel verlaufen (vgl. Ausgestaltung gemäß der 6) oder sich wieder voneinander entfernen (vgl. Ausgestaltung gemäß der 5). Dabei ist die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt 48 bei beiden Ausgestaltungen so groß gewählt, dass eine sich durch den zunehmenden radialen Abstand von der Rotationsachse 46 ergebende Vergrößerung des von dem Diffusorraum 40 ausgebildeten Strömungsquerschnitts überkompensiert wird und sich der Strömungsquerschnitt somit (linear) verkleinert. In dem zweiten Abschnitt 50 vergrößert sich dieser Strömungsquerschnitt in beiden Ausgestaltungen wieder (linear), was bei der Ausgestaltung gemäß der 6 ausschließlich auf den zunehmenden radialen Abstand zu der Rotationsachse 46 und bei der Ausgestaltung gemäß der 5 zusätzlich auch auf die (mit zunehmenden radialen Abstand von der Rotationsachse) zunehmende Entfernung der den Diffusorraum 40 begrenzenden Gehäusewände in diesem zweiten Abschnitt 50 begründet ist. Vorgesehen ist, dass sowohl die Annäherung der Gehäusewände in dem jeweiligen ersten Abschnitt 48 beider Ausgestaltungen als auch die Entfernung voneinander in dem zweiten Abschnitt 50 der Ausgestaltung gemäß der 5 linear ist. Der Übergang zwischen den beiden Abschnitten ist dadurch abgewinkelt.
• Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Diffusorraums 40 eines Radialverdichters 16 kann gegenüber dem Radialverdichter gemäß der US 3,010,642 eine deutliche Erhöhung des isentropen (Diffusor-)Wirkungsgrads η_D,s und eine Verringerung des Totaldruckverlustes Δp_Tot erreicht werden. Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Diffusorraums konnten anhand von Strömungssimulationen belegt werden. Dabei wurden u.a. sechs Varianten erfindungsgemäßer Diffusorräume untersucht; jeweils drei pro Ausgestaltung gemäß der 5 und der 6.
• Die den Strömungssimulationen zugrundeliegende Diffusorräume 40 wiesen folgende übereinstimmende Abmessungen auf:
• – Eintrittsdurchmesser des Diffusors: d₃ = 200 mm;
• – Austrittsdurchmesser des Diffusors: d₄ = 320 mm
• – Einlassbreite: x₀ = 4,2 mm.
• Die drei Varianten der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 5 wiesen folgende übereinstimmende Abmessung auf:
• – Auslassbreite: x₃ = 4,2 mm.
• Die erste Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 5 wies zudem folgende Abmessungen auf:
• – Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 3,2 mm
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 220 mm.
• Die zweite Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 5 wies zudem folgende Abmessungen auf:
• – Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 3,2 mm
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 300 mm.
• Die dritte Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 5 wies zudem folgende Abmessungen auf:
• – Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 2,2 mm
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 300 mm.
• Die erste Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 6 wies zudem folgende Abmessung auf:
• – Auslassbreite und Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 3,2 mm.
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 220 mm.
• Die zweite Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 6 wies zudem folgende Abmessung auf:
• – Auslassbreite und Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 3,2 mm.
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 300 mm.
• Die dritte Variante der Ausgestaltung eines Diffusorraums 40 gemäß der 6 wies zudem folgende Abmessung auf:
• – Auslassbreite und Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: x_min = 2,3 mm.
• – Durchmesser des Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt: d₅ = 300 mm.
• Die 10 und 11 zeigen die Simulationsergebnisse zu der ersten und zweite Variante der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Diffusorraums 40 gemäß der 5, d.h. mit einer Breite im Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt (nachfolgend als „Einschnürung“ bezeichnet) von 3,2 mm und einer radialen Lage der Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 220 mm (10) beziehungsweise 300 mm (11). Es ist zu erkennen, dass die bei einem Radius von ca. 125 mm (d.h. einem Durchmesser von ca. 250 mm) beginnenden Bereiche beider Strömungseinschnürungen miteinander vergleichbar sind. Diese Bereiche sind einem überexpandierten Überschall-Freistrahl ähnlich. Dagegen unterscheiden sich die Gasströmungen bis zu diesem Bereich erheblich. Der Diffusorraum 40 mit der Einschnürung x_min bei dem Durchmesser von 300 mm gemäß der 11 unterliegt einem Wechsel aus Beschleunigungszonen und lokalen Verzögerungen aufgrund von auftretenden Verdichtungsstößen. Bei dem Diffusorraum 40 mit der Einschnürung x_min bei dem Durchmesser von 220 mm (vgl. 10) wird die Gasströmung durch die Strömungsquerschnittsverjüngung zunächst verzögert, anschließend aber aufgrund der Strömungsquerschnittszunahme über den Radius wieder beschleunigt. Der darauf folgende Freistrahlbereich verläuft im Vergleich zum Diffusorraum 40 gemäß der 11 nicht parallel zwischen Diffusorboden und -decke. Die Gasströmung erfährt aufgrund der Ablösung hinter dem Laufradübergang zunächst eine gewisse Ablenkung in Richtung des Diffusorbodens. Daraufhin legt sich die Gasströmung durch die Beschleunigung an der Diffusordecke an beziehungsweise wird in Richtung der Diffusordecke abgelenkt, wodurch sie im Ablösepunkt wieder eine Umlenkung erfährt. Die bei dieser Variante eines erfindungsgemäßen Diffusorraums 40 hinter dem Laufradübergang auftretende Strömungsablösung resultiert aus der starken Strömungsquerschnittsverjüngung und dem damit einhergehenden statischen Druckaufbau an dieser Stelle. Die Verringerung des Strömungsquerschnitts wirkt demnach als Überschalldiffusor und verhindert die Entstehung von Verdichtungsstößen. Obwohl in diesem Bereich keine Verdichtungsstöße zu erkennen sind, ist der Totaldruckverlust Δp_Tot hier höher als bei der Variante mit einer Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 300 mm (vgl. 11). Demnach sind die kurze Verzögerung mit der Strömungsablösung und die anschließende Beschleunigung verlustbehafteter, als die in diesem Bereich bei der Variante mit einer Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 300 mm auftretenden Verdichtungsstöße.
• Auch der einem Überschall-Freistrahl ähnelnde Bereich zeigt bei der Variante gemäß der 10 einen höheren Verlust auf. Das liegt daran, dass die Variante gemäß der 11 in der Länge des ersten Abschnitts 48 ausreicht, um die Gasströmung im engsten Querschnitt (d.h. in der Einschnürung x_min) auf Unterschall zu verzögern. Wird der Totaldruckverlust Δp_Tot beider Konzepte über die gesamte (radiale) Länge des Diffusorraums 40 betrachtet, ähneln sich beide Verläufe. Sie sind annähernd linear. Festzustellen ist aber, dass ab einem Radius von ca. 125 mm der Anstieg des Totaldrucks p_Tot steiler verläuft. Zurückzuführen ist das auf die starke Ablösung, die die Gasströmung ab hier erfährt.
• Aufgrund der Tatsache, dass die Variante gemäß der 11 einen geringeren Totaldruckverlust Δp_Tot beziehungsweise einen höheren Wirkungsgrad η_D,s aufzeigt, wurde diese für eine weitere Optimierung genutzt. Zur Erreichung diese Ziels war eine Verringerung des Strömungsquerschnitts im Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 48 und dem zweiten Abschnitt 50 notwendig. Das haben Voruntersuchungen gezeigt. Vor diesem Hintergrund wurde der Strömungsquerschnitt der Variante des Diffusorraums 40 gemäß der 11 im Übergang zwischen den zwei Abschnitten 48, 50 bei dem Durchmesser von 300 mm sukzessive bis zu einer Breite von 2,2 mm gemäß der 12 verkleinert. Dadurch konnte der Wirkungsgrad η_D,s auf 62% erhöht und der Totaldruckverlust Δp_Tot auf 1,27 bar (weiter) verringert werden. Die Strömung änderte sich dadurch derart, dass im Vergleich zur 11 nur noch der durch den Laufradübergang induzierte Stoß zu erkennen ist. Die darauf folgenden Stoßreflexionen treten kaum noch hervor und die Expansions- und Kompressionsbereiche des Freistrahls sind nicht mehr sichtbar. Dieses Strömungsverhalten ist die Folge aus der starken geometrischen Strömungsquerschnittsverjüngung, die als Überschalldiffusor wirkt.
• Im Vergleich zu der 11 ist zudem in der 12 eine Ablenkung der Gasströmung in Richtung Diffusordecke ab dem Übergang zwischen den zwei Abschnitten 48, 50 zu erkennen. Zurückzuführen ist das auf die Ablösung der Gasströmung hinter dem Laufradübergang gemäß der 12, wodurch die Gasströmung in Richtung Einschnürung x_min zum Diffusorboden abgelenkt wird und infolge dessen im Bereich der Einschnürung x_min eine Umlenkung in Richtung Diffusordecke erfährt.
• Darüber hinaus ist in der 12 zu erkennen, dass der Kern der Gasströmung im Gegensatz zur Variante gemäß der 11, d.h. mit einer Breite von 3,2 mm an der Einschnürung x_min, ab einem Radius von ca. 140 mm wieder beschleunigt. Der Grund dafür ist, dass in diesem Diffusorbereich die Strömungsablösung abnimmt und die dadurch eintretende Strömungsquerschnittserweiterung für den Strömungskern als Überschalldüse wirkt. Ab der Einschnürung x_min verzögert der Strömungskern wieder, da die steigende Strömungsablösung die Wirkung einer Querschnittsverjüngung hat. Eine weitere Querschnittsverkleinerung an der Einschnürung würde dazu führen, dass die Gasströmung in Richtung Einschnürung x_min aufgrund der genannten Strömungsumstände noch stärker beschleunigt, wodurch die Streckenlänge bis zum Auslass für eine Verzögerung auf Unterschall nicht ausreicht. Die für den Diffusoraustritt vorgegebene Unterschallbedingung wäre damit nicht mehr erfüllt. Eine weitere Optimierung durch Reduzierung des Strömungsquerschnitts an dieser Stelle ist daher nicht möglich.
• Im Gegensatz zu der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Diffusorraums 40 gemäß der 5 führt eine Ausgestaltung gemäß der 6 zum Erreichen des höchsten Wirkungsgrads η_D,s bei einer Lage der Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 220 mm (vgl. 13 bis 15). Der Grund für dieses gegensätzliche Verhalten liegt in den unterschiedlichen geometrischen Formen beider Ausgestaltungen. Während die Ausgestaltung gemäß der 5 ab der Einschnürung x_min eine Strömungsquerschnittsaufweitung aufweist, bleibt die Breite des Diffusorraums 40 (d.h. der Abstand zwischen den den Diffusorraum 40 begrenzenden Gehäusewände) bei der Ausgestaltung gemäß der 6 konstant. Daraus folgt, dass die Ausgestaltung gemäß der 6 eine weniger starke Strömungsablösung in dem einem Freistrahl ähnelndem Bereich erfährt als die Ausgestaltung gemäß der 5 (vgl. 10 und 13). Trotz dieses Umstandes zeigt die Ausgestaltung gemäß der 6 in den 13 und 14 ein vergleichbares Strömungsverhalten wie die Ausgestaltung gemäß der 5 in den 10 und 11. Liegt die Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 300 mm sind hinter dem Laufradübergang Verdichtungsstöße erkennbar, bei einem Durchmesser von 220 mm jedoch nicht. Auch die einem Überschall-Freistrahl ähnelnden Strömungsbereiche treten mit dem Unterschied auf, dass dieser Bereich bei der Ausgestaltung gemäß der 6 mit der Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 220 mm mehr in Richtung Diffusoraustritt verschoben ist. Der Grund dafür liegt in der konstanten Breite des Diffusorraums 40 bei der Ausgestaltung gemäß der 6 hinter der Einschnürung x_min, wodurch der Strömungsquerschnitt im Vergleich zu der Ausgestaltung gemäß der 5 über den Radius weniger stark zunimmt. Daraus folgt, dass der Strömungsquerschnitt, an dem die Gasströmung ablöst, hinter derjenigen bei der Ausgestaltung gemäß der 5 liegt, obwohl die vorgegebenen physikalischen Einlass- und Auslassbedingungen gleich sind.
• Wie das Strömungsverhalten ist auch der Verlauf des Totaldrucks p_Tot bei einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Diffusors gemäß der 6 mit demjenigen bei einer Ausgestaltung gemäß der 5 vergleichbar. Die Verlustzunahme ist annähernd linear und steigt mit Beginn des Freistrahls stärker an.
• Trotz dieser Gemeinsamkeiten ist eine Optimierung äquivalent zu der Ausgestaltung gemäß der 5, für die die Einschnürungslage mit dem höchsten Wirkungsgrad η_D,s gewählt wurde, bei der Ausgestaltung gemäß der 6 nicht möglich. Eine weitere Verringerung der Breite des Diffusorraums 40 bei dem Durchmesser von 220 mm würde nämlich zu einer ausgeprägteren Überschalldüsenform führen und die Gasströmung stärker beschleunigen. Die Streckenlänge wäre für eine Verzögerung der Strömung nicht mehr ausreichend und die für den Diffusoraustritt vorgegebene Unterschallbedingung damit nicht mehr erfüllt.
• Vor diesem Hintergrund wurde die Variante gemäß der 14, d.h. mit der Einschnürung x_min bei einem Durchmesser von 300 mm, gewählt und der Strömungsquerschnitt bis zu einer Breite von 2,3 mm verkleinert (vgl. 15). Dadurch konnte der Wirkungsgrad η_D,s auf 69% erhöht und der Totaldruckverlust Δp_Tot auf 1,1 bar verringert werden.
• Ebenfalls simulierte Varianten erfindungsgemäßer Diffusorräume mit Einschnürungslagen zwischen 220 mm und 300 mm zeigten aufgrund der genannten Problematik ein geringeres Optimierungspotential.
• Im Vergleich zu der Variante gemäß der 12 hat die Verkleinerung des Strömungsquerschnitts an der Einschnürung x_min bei der Variante gemäß der 15 ähnliche Auswirkungen auf die Gasströmung. Die Stoßreflexionen sind kaum noch erkennbar und die Expansions- und Kompressionsbereiche des Freistrahls treten nicht mehr auf. Im Gegensatz zu der Variante gemäß der 12 wird die Gasströmung im Bereich der Einschnürung x_min aber nicht in Richtung der Diffusordecke abgelenkt. Der Grund dafür liegt in der konstanten Breite des Diffusors nach der Einschnürung x_min, die einer Umlenkung der Strömung an dieser Stelle entgegenwirkt. Ein weiterer Unterschied im Vergleich zu der Ausgestaltung gemäß der 5 ist, dass die Beschleunigung des Strömungskerns im Bereich der Einschnürung x_min kaum auftritt. Das liegt daran, dass der Strömungsquerschnitt an der Einschnürung x_min mit einer Breite von 2,3 mm geringer ausfällt. Eine weitere Reduzierung der Breite an dieser Stelle ist dennoch nicht möglich, da der gleiche Effekt wie bei der Ausgestaltung gemäß der 5 auftritt. Die Gasströmung würde nämlich in Richtung Einschnürung x_min wieder stärker beschleunigen, wodurch die Streckenlänge bis zum Diffusoraustritt für eine Verzögerung auf Unterschallgeschwindigkeit nicht ausreicht. Die für den Diffusoraustritt vorgegebene Unterschallbedingung wäre damit nicht mehr erfüllt.
• Zusammenfassend ist festzustellen, dass die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen von Diffusoren gemäß den 5 und 6 eine Gasströmung verlustärmer verzögern als ein vergleichsweise simulierter parallelwandigen Diffusor, wie er in der US 3,010,642 offenbart ist. Im Vergleich dazu verbessert die Variante gemäß der 12 den Wirkungsgrad η_D,s um 11% und verringert den Totaldruckverlust Δp_Tot um 27%. Die Variante gemäß der 15 erhöht den Wirkungsgrad η_D,s um 23% und reduziert den Totaldruckverlust Δp_Tot um 37%. Jedoch ist dabei anzumerken, dass die flächengemittelte Austrittsgeschwindigkeit am Diffusoraustritt gemäß der 15 mit 341 m/s (Mach = 0,87) über dem der Variante gemäß der 12 mit 266 m/s (Mach 0,67) liegt. Die Variante gemäß der 12 erreicht hinsichtlich der flächengemittelten Austrittsgeschwindigkeit den Geschwindigkeitsbereich des parallelwandigen Vergleichsdiffusors; die Variante gemäß der 15 liegt darüber. Im Hinblick auf den Gesamtwirkungsgrad η_D,s des Verdichters sollten diese Geschwindigkeitsunterschiede beachtet werden. Die Beaufschlagung der Spirale 38 mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit kann nämlich zu höheren Verlusten in der Spirale 38 führen.
• Darüber hinaus zeigen die Berechnungen, dass der statische Wirkungsgrad η_D,s und der Totaldruckverlust Δp_Tot als Beurteilungskriterien gleichwertig sind. Zeigt beispielsweise eine Diffusorform einen höheren Wirkungsgrad η_D,s, sinkt auch ihr Totaldruckverlust Δp_Tot.
• Bezugszeichenliste

10

Verbrennungsmotor

12

Zylinder

14

Kurbelwelle

16

Radialverdichter

18

Ladeluftkühler

20

Drosselklappe

22

Turbine

24

Welle

26

Wastegate

28

Riementrieb

30

Verdichterbypass

32

Gehäuse des Radialverdichters

34

(Überschall-)Verdichterlaufrad

36

Einlass

38

Spirale

40

Diffusorraum

42

Laufradkanal

44

Laufradschaufel

46

Rotationsachse

48

erster Abschnitt des Diffusorraums

50

zweiter Abschnitt des Diffusorraums

c_m

Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit der Gasströmung

n

Drehzahl des Verdichterlaufrads

A

Strömungsquerschnitt

ṁ

Massenstrom

ρ

Dichte

v

Geschwindigkeit

A_kritisch

kritischer Strömungsquerschnitt

π_kritisch

kritisches Druckverhältnis

u₁

Umfangsgeschwindigkeit am Laufradeintritt

u₂

Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaustritt

c₁

Absolutgeschwindigkeit am Laufradeintritt

w₁

Relativgeschwindigkeit am Laufradeintritt

c₂

Absolutgeschwindigkeit am Laufradaustritt

w₂

Relativgeschwindigkeit am Laufradaustritt

x_min

Einschnürung

p_Tot

Totaldruck

Δp_Tot

Totaldruckverlust

η_D,s

isentroper Diffusorwirkungsgrad

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 3010642 [0010, 0011, 0011, 0019, 0022, 0054, 0062, 0063, 0083]
• DE 1053714 [0012]
• US 3604818 [0013]
• JP 3260399 A [0014]
• DE 1628227 A [0015]

Claims (9)

1. Radialverdichter (16) mit einem Gehäuse (32) und einem drehbar innerhalb des Gehäuses (32) gelagerten Überschall-Verdichterlaufrad (34), wobei das Gehäuse (32) einen Einlass (36) und einen Auslass ausbildet, die derart angeordnet sind, dass das Überschall-Verdichterlaufrad (34) von einem zu verdichtenden Gas in axialer Richtung angeströmt und in radialer Richtung abgeströmt würde, und wobei zwischen dem Überschall-Verdichterlaufrad (34) und dem Auslass ein ringförmiger, von sich gegenüberliegenden Gehäusewänden begrenzter Diffusorraum (40) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gehäusewände in einem ersten, von dem Überschall-Verdichterlaufrad (34) ausgehenden Abschnitt (48) des Diffusorraums (40) annähern und in einem zweiten, sich an den ersten Abschnitt (48) anschließenden Abschnitt (50) parallel zueinander verlaufen oder sich voneinander entfernen.
2. Radialverdichter (16) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt (48) und/oder eine Entfernung der Gehäusewände voneinander in dem zweiten Abschnitt (50) kontinuierlich ist.
3. Radialverdichter (16) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt (48) und/oder eine Entfernung der Gehäusewände voneinander in dem zweiten Abschnitt (50) linear ist.
4. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt des Diffusorraums (40) über der radialen Höhe des ersten Abschnitts (48) verkleinert.
5. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Annäherung der Gehäusewände in dem ersten Abschnitt (48) und/oder eine Entfernung der Gehäusewände voneinander in dem zweiten Abschnitt (50) beidseitig ausgebildet ist.
6. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt (48) und dem zweiten Abschnitt (50) auf mindestens halber radialer Höhe des Diffusorraums (40) angeordnet ist.
7. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt (48) und dem zweiten Abschnitt (50) abgewinkelt ausgebildet ist.
8. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt eines zwischen zwei Laufradschaufeln (44) ausgebildeten Laufradkanals (42) sich in zumindest einem Abschnitt über der radialen Höhe des Laufradkanals (42) vergrößert.
9. Radialverdichter (16) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusorraum (40) unbeschaufelt ist.

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