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DE10061847A1 - Exhaust gas supercharger has compressor wheel which has separate attachment rotor with blades having trailing edge angle greater than leading edge angle - Google Patents

Exhaust gas supercharger has compressor wheel which has separate attachment rotor with blades having trailing edge angle greater than leading edge angle

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Publication number
DE10061847A1
DE10061847A1 DE10061847A DE10061847A DE10061847A1 DE 10061847 A1 DE10061847 A1 DE 10061847A1 DE 10061847 A DE10061847 A DE 10061847A DE 10061847 A DE10061847 A DE 10061847A DE 10061847 A1 DE10061847 A1 DE 10061847A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
compressor wheel
exhaust gas
blades
rotor
compressor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10061847A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Fledersbacher
Paul Loeffler
Siegfried Sumser
Juergen Willand
Friedrich Wirbeleit
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to DE10061847A priority Critical patent/DE10061847A1/en
Publication of DE10061847A1 publication Critical patent/DE10061847A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

The exhaust gas supercharger has an exhaust gas turbine (3) in the exhaust manifold (5) and a compressor in the induction manifold (7). The compressor wheel (9) has a separate attachment rotor (10). The blades of this rotor have a trailing edge angle which is greater than the leading edge angle. The compressor wheel does not rotate relative to the exhaust gas turbine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betrieb eines Abgas­ turboladers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7.The invention relates to an exhaust gas turbocharger for a Internal combustion engine and a method for operating an exhaust gas 7. turbocharger according to the preamble of claim 1 or 7.

In der Druckschrift US 6 029 452 ist ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine und einem Verdichter im Ansaugtrakt offenbart, wobei der Verdichter über eine Welle von der Abgasturbine angetrieben wird. Zur Un­ terstützung des Verdichters insbesondere bei niedrigen Drehzah­ len, bei denen ein nur geringes Druckniveau im Abgasstrang herrscht, mit dem nur vergleichsweise wenig Turbinenleistung erzeugt werden kann, die auf den Verdichter übertragbar ist, ist ein Elektromotor vorgesehen, der zwischen Verdichter und Turbine auf der Welle angeordnet und drehfest mit der Welle verbunden ist. Bei einer Bestromung des Elektromotors wird die Welle und somit auch der Verdichter mit zusätzlicher Antriebs­ leistung versorgt, wodurch unabhängig von dem im Abgasstrang anstehenden Druckniveau ein erhöhter Ladedruck im Ansaugtrakt aufgebaut werden kann, der dem Motor zur Steigerung der Motor­ leistung zugeführt wird.In US 6 029 452 an exhaust gas turbocharger is included an exhaust gas turbine in the exhaust line of an internal combustion engine and discloses a compressor in the intake tract, the compressor is driven by the exhaust gas turbine via a shaft. To the Un Support of the compressor, especially at low speeds len, where there is only a low pressure level in the exhaust system prevails with only comparatively little turbine power can be generated that can be transferred to the compressor, an electric motor is provided between the compressor and Turbine arranged on the shaft and rotatably with the shaft connected is. When the electric motor is energized, the Shaft and thus also the compressor with additional drive power supplied, which is independent of that in the exhaust system pressure level an increased boost pressure in the intake system can be built up of the engine to increase the engine power is supplied.

Dieser Abgasturbolader ermöglicht zwar eine Steigerung der La­ derleistung durch Zuschaltung des Elektromotors. Da jedoch der Läufer des Elektromotors drehfest mit der Welle verbunden ist, wird die zu beschleunigende Masse signifikant erhöht, wodurch insbesondere im transienten Bereich aufgrund des gesteigerten Massenträgheitsmoments mit einer Verzögerung im Drehzahlaufbau und dementsprechend mit einem verzögerten Ladedruckaufbau ge­ rechnet werden muss. Das hohe Massenträgheitsmoment erfordert außerdem einen vergleichsweise groß dimensionierten Elektromo­ tor mit hoher Leistungsaufnahme.This exhaust gas turbocharger enables an increase in the La power by switching on the electric motor. However, since the Rotor of the electric motor is rotatably connected to the shaft, the mass to be accelerated is significantly increased, whereby  especially in the transient area due to the increased Mass moment of inertia with a delay in speed build-up and accordingly with a delayed boost pressure build-up must be expected. The high moment of inertia requires also a comparatively large electromo gate with high power consumption.

Über einen zusätzlichen Ladedruckaufbau hinausgehend können ü­ ber den Elektromotor keine weiteren Funktionen ausgeübt werden. Es ist insbesondere nicht möglich, das Verhalten des Verdich­ ters in Grenzbereichen bei einem Betrieb nahe der Pumpgrenze o­ der nahe der Stopfgrenze positiv zu beeinflussen.Beyond an additional boost pressure build-up can No other functions can be performed via the electric motor. In particular, it is not possible to change the behavior of the compaction ters in limit areas when operating near the surge limit o the positive influence close to the darning limit.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Betriebsverhalten für einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine zu verbessern. Es soll insbesondere der Ladedruckaufbau im niede­ ren Drehzahlbereich verbessert werden. Darüber hinaus soll zweckmäßig der Einsatzbereich des Abgasturboladers sowohl in Richtung großer zu fördernder Volumenströme als auch in Rich­ tung kleiner zu fördernder Volumenströme ausgeweitet werden.The invention is based on the problem, the operating behavior for an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine improve. In particular, it should build up the boost pressure in the low ren speed range can be improved. Beyond that expedient the area of application of the exhaust gas turbocharger both in Direction of large volume flows to be promoted as well as in Rich small volume flows to be promoted.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 7 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This problem is solved according to the invention with the features of the Proverbs 1 and 7 solved. The subclaims give useful Training courses.

Der erfindungsgemäße Abgasturbolader weist einen Verdichter mit einem Verdichterrad sowie einem zusätzlichen, separat vom Ver­ dichterrad ausgebildeten Vorsatzläufer auf, der koaxial zum Verdichterrad angeordnet ist und sich in Strömungsrichtung der angesaugten Verbrennungsluft gesehen stromauf des Verdichterra­ des befindet. Mit Hilfe des Vorsatzläufers kann das Betriebs­ verhalten des Verdichters in gezielter, gewünschter Weise be­ einflusst werden. Es ist insbesondere möglich, in Abhängigkeit des gewünschten Einsatzzweckes ein Standardverdichterrad mit einem zusätzlichen Vorsatzläufer auszurüsten, der eine Ver­ schiebung der Pumpgrenze in Richtung kleinerer Volumenströme o­ der aber eine Verschiebung der Stopfgrenze des Verdichters in Richtung größerer Volumenströme bzw. eine Kombination von bei­ dem erlaubt. Der Vorsatzläufer als Zusatzausrüstung zum Ver­ dichterrad stellt eine einfache, kostengünstige und schnell durchzuführende Maßnahme zur Verbesserung des Betriebsverhal­ tens des Verdichters dar.The exhaust gas turbocharger according to the invention has a compressor a compressor wheel and an additional one, separate from the ver Dichterrad trained front rotor, which is coaxial to Compressor wheel is arranged and in the direction of flow sucked combustion air seen upstream of the compressor the located. With the help of the front runner, the operation behave of the compressor in a targeted, desired manner be influenced. It is particularly possible depending a standard compressor wheel for the desired application  to equip an additional front runner that ver shifting the surge limit in the direction of smaller volume flows o which, however, shifts the compression limit of the compressor into Direction of larger volume flows or a combination of allowed that. The front runner as additional equipment for ver dichterrad represents a simple, inexpensive and quick Action to be taken to improve operating behavior of the compressor.

Weiterhin ist vorgesehen, das die Vorsatzläuferschaufeln des Vorsatzläufers und die Verdichterradschaufeln des Verdichterra­ des in einem bestimmten Winkel zueinander ausgerichtet sind. Zur Festlegung der Winkellage zwischen den Schaufeln des Vor­ satzläufers und den Schaufeln des Verdichterrades werden vor­ teilhaft Absolutwinkel herangezogen, welche die jeweilige Schaufelausrichtung an einer bestimmten Position des Vorsatz­ läufers und des Verdichterrades in Bezug auf die Drehebene von Vorsatzläuferrad bzw. Verdichterrad bestimmen. Hierfür werden der Austrittswinkel der Vorsatzläuferschaufeln sowie der Ein­ trittswinkel der Verdichterradschaufeln herangezogen, wobei der Austrittswinkel der Vorsatzläuferschaufeln größer ist als der Eintrittswinkel der Verdichterradschaufeln, jeweils bezogen auf die Drehebene des Vorsatzläufers bzw. des Verdichterrades. Da der Austrittswinkel der Vorsatzläuferschaufeln größer ist als der Eintrittswinkel der Verdichterradschaufeln, wird die Pump­ grenze im Verdichterkennfeld zu Gunsten kleinerer Volumen- bzw. Massenströme verschoben. Außerdem kann insbesondere bereits bei niedrigen Laderdrehzahlen ein erhöhter Massenstromdurchsatz mit einem einhergehenden Ladedruckaufbau erzielt werden.It is also provided that the front rotor blades of the Front rotor and the compressor wheel blades of the compressor rotor which are aligned at a certain angle to each other. To determine the angular position between the blades of the front block rotor and the blades of the compressor wheel are before partial absolute angle, which the respective Blade alignment at a specific position of the header rotor and the compressor wheel in relation to the plane of rotation of Determine the attachment impeller or compressor wheel. For that be the exit angle of the front rotor blades and the on step angle of the compressor wheel blades used, the Exit angle of the front rotor blades is larger than that Entry angle of the compressor wheel blades, each based on the level of rotation of the front rotor or the compressor wheel. There the exit angle of the front rotor blades is greater than the entry angle of the compressor impeller blades, the pump limit in the compressor map in favor of smaller volume or Mass flows shifted. In addition, in particular already at low supercharger speeds with an increased mass flow rate an accompanying boost pressure buildup can be achieved.

Eine positive Beeinflussung des Ladedruckaufbaus wird insbeson­ dere durch einen zusätzlichen Antrieb des Vorsatzläufers er­ reicht, was vorteilhaft mittels eines Elektromotors durchführ­ bar ist, indem beispielsweise der Vorsatzläufer den Rotor bzw. einen Teil des Rotors des Elektromotors bildet. Weitere Beein­ flussungsmöglichkeiten werden dadurch erzielt, dass der Vor­ satzläufer unabhängig vom Verdichterrad drehbar gelagert ist, so dass Vorsatzläufer und Verdichterrad mit unterschiedlichen Drehzahlen umlaufen können. Auf diese Weise können durch eine entsprechende Drehbeaufschlagung des Vorsatzläufers verschie­ denartige aerodynamische Effekte ausgenutzt werden, indem je nach aktuellem Einsatzgebiet ein Mitdrall oder ein Gegendrall durch eine größere oder kleinere Drehzahl des Vorsatzläufers gegenüber der Verdichterraddrehzahl oder durch eine Umkehr der Drehrichtung eingestellt wird.A positive influence on the boost pressure build-up is in particular by an additional drive for the front-mounted rotor enough, which is advantageously carried out by means of an electric motor bar, in that, for example, the front rotor rotates the rotor or  forms part of the rotor of the electric motor. More legs Flow possibilities are achieved by the fact that the block rotor is rotatably mounted independently of the compressor wheel, so that front rotor and compressor wheel with different Rotate speeds. In this way, through a appropriate rotation of the front rotor Such aerodynamic effects can be exploited by depending on the current area of application, a swirl or a counter-swirl due to a higher or lower speed of the front rotor against the compressor wheel speed or by reversing the Direction of rotation is set.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung liegt der Austrittswin­ kel der Vorsatzläuferschaufeln, welcher definiert ist als Win­ kel der Tangente an die Vorsatzläuferschaufeln im Bereich der dem Verdichterrad zugewandten Seite des Vorsatzläufers, in ei­ nem Winkelbereich zwischen 75° und 100°, insbesondere bei etwa 85°. Der Eintrittswinkel der Verdichterradschaufeln - definiert als Winkel der Tangente an die Verdichterradschaufeln auf der dem Vorsatzläufer zugewandten Seite - ist kleiner als der Aus­ trittswinkel der Vorsatzläuferschaufeln und liegt bevorzugt in einem Winkelbereich zwischen 30° und 45°. Bei einem derartigen Verhältnis von Austrittswinkel der Vorsatzläuferschaufeln zu Eintrittswinkel der Verdichterradschaufeln wird insbesondere im transienten Übergangsbereich bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, die ein nur geringes Abgasdruckniveau zur Folge haben, ein schneller Ladedruckaufbau bei einem zusätzli­ chen Antrieb des Vorsatzläufers erzielt. Zudem wird eine Pump­ grenzenverschiebung zu Gunsten kleinerer Massenströme im Falle einer herabgesetzten Vorsatzläuferdrehzahl erreicht, insbeson­ dere bei einer die Verdichterraddrehzahl unterschreitenden Vor­ satzläuferdrehzahl.According to an advantageous further development, the exit twine lies angle of the front rotor blades, which is defined as Win angle of the tangent to the front rotor blades in the area of the side of the front rotor facing the compressor wheel, in egg NEM angular range between 75 ° and 100 °, especially at about 85 °. The entry angle of the compressor wheel blades - defined as the angle of the tangent to the compressor wheel blades on the the side facing the front runner - is smaller than the end step angle of the front rotor blades and is preferably in an angular range between 30 ° and 45 °. With such a Ratio of exit angle of the front rotor blades to Entry angle of the compressor wheel blades is particularly in the transient transition range at low engine speeds Internal combustion engine that has only a low exhaust gas pressure level The result is a faster boost pressure build-up with an additional Chen drive the front rotor achieved. In addition, a pump boundary shift in favor of smaller mass flows in the case a reduced front rotor speed reached, in particular the one at a speed below the compressor wheel speed set runner speed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches bevorzugt auf den erfindungsgemäßen Abgasturbolader angewendet wird, wird eine Falschanströmung auf das Verdichterrad eingestellt, die in ei­ nem Winkelbereich zwischen -5° und +30° liegt. Die Falschan­ strömung, welche definiert ist als der Winkel zwischen dem Ge­ schwindigkeitsvektor der Gasströmung auf das Verdichterrad und der Tangente an die Verdichterradschaufeln auf der dem Vorsatz­ läufer zugewandten Seite, wobei eine positive Falschanströmung einen Rückenstoß auf das Verdichterrad und eine negative Falschanströmung einen Bauchstoß auf das Verdichterrad bedeu­ ten, kann durch ein abgestimmtes Drehzahlverhalten von Vorsatz­ läufer und Verdichterrad beeinflusst werden. Bevorzugt wird zur Ladedrucksteigerung im niedrigen Drehzahlbereich eine positive Falschanströmung, welche einen Rückenstoß auf das Verdichterrad zur Folge hat, eingestellt, indem die Drehzahl des Vorsatzläu­ fers auf einen höheren Wert beschleunigt wird als die Verdich­ terdrehzahl.In the method according to the invention, which preferably on the  Exhaust gas turbocharger according to the invention is used, a Incorrect flow on the compressor wheel set in ei The angular range is between -5 ° and + 30 °. The Falschan flow, which is defined as the angle between the ge Velocity vector of the gas flow on the compressor wheel and the tangent to the compressor wheel blades on the header side facing the rotor, with a positive false flow a back impact on the compressor wheel and a negative one Incorrect inflow means an abdominal impact on the compressor wheel can, through a coordinated speed behavior of intent rotor and compressor wheel can be influenced. Is preferred for Boost pressure increase in the low speed range a positive Incorrect flow, which pushes the compressor wheel backwards has set, by the speed of the intent accelerated to a higher value than the compression terdrehzahl.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigenFurther advantages and practical designs are the others Entities, the description of the figures and the drawings ent to take. Show it

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brenn­ kraftmaschine mit einem Verdichter, der ein Verdichter­ rad und einen vorgeschalteten Vorsatzläufer aufweist, Fig. 1 is a schematic representation of a turbocharged internal combustion engine having a compressor wheel, a compressor and an upstream inducer,

Fig. 2 der Verdichter in einer Schnittdarstellung, Fig. 2 of the compressor in a sectional view,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht auf Vorsatzläufer und Verdich­ terrad, Fig. 3 is an enlarged view of terrad inducer and compaction,

Fig. 4 ein Vektordiagramm mit Strömungsvektoren an verschiede­ nen Positionen des Verdichters, Fig. 4 is a vector diagram with flow vectors at NEN Various positions of the compressor,

Fig. 5 ein Auslegungsdiagramm mit dem Verlauf der Schaufelwin­ keldifferenz von Austrittswinkel der Vorsatzläufer­ schaufeln und Eintrittswinkel der Verdichterradschau­ feln in Abhängigkeit der Umfangsgeschwindigkeitsdiffe­ renz von Vorsatzläufer und Verdichterrad, bezogen auf einen mittleren Strömungsgeschwindigkeitsvektor. Fig. 5 is a design diagram with the course of the Schaufelwin keldiffer from exit angle of the front rotor blades and inlet angle of the compressor wheel blades depending on the peripheral speed difference between the front rotor and compressor wheel, based on an average flow velocity vector.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.In the following figures, the same components with the same loading provide traction marks.

Der in Fig. 1 dargestellten Brennkraftmaschine 1 ist ein Abgas­ turbolader 2 mit einer Abgasturbine 3, welche mit einer varia­ bel einstellbaren Turbinengeometrie 4 ausgestattet ist, und mit einem Verdichter 6 zugeordnet, der über eine Welle 8 von der Abgasturbine 3 angetrieben wird. Die Abgasturbine 3 ist im Ab­ gasstrang 5 der Brennkraftmaschine angeordnet und wird von den unter Druck stehenden Abgasen angetrieben. Die Turbinenleistung der Abgasturbine 3 wird über die Welle 8 in eine entsprechende Verdichterleistung des Verdichters 6 umgesetzt, wodurch vom Verdichter 6 angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten La­ dedruck verdichtet wird, mit dem Ladeluft über den Ansaugtrakt 7 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt wird.The internal combustion engine 1 shown in Fig. 1 is an exhaust gas, and associated with turbocharger 2 with an exhaust gas turbine 3, which is equipped with a varia bel adjustable turbine geometry 4 with a compressor 6 driven by a shaft 8 from the exhaust gas turbine 3. The exhaust gas turbine 3 is arranged in the gas line 5 of the internal combustion engine and is driven by the exhaust gases under pressure. The turbine output of the exhaust gas turbine 3 is converted via the shaft 8 into a corresponding compressor output of the compressor 6 , as a result of which combustion air sucked in by the compressor 6 is compressed to an increased charging pressure, with which charge air is supplied to the internal combustion engine 1 via the intake tract 7 .

Der Verdichter 6 ist zweiteilig aufgebaut und umfasst ein Ver­ dichterrad 9 sowie ein dem Verdichterrad 9 vorgelagerter, ko­ axial angeordneter Vorsatzläufer 10, der von einem Elektromotor 11 angetrieben wird. Das Verdichterrad 9 und der Vorsatzläufer 10 können zweckmäßig unabhängig voneinander umlaufen. Der Vor­ satzläufer 10 ist in Strömungsrichtung der angesaugten Verbren­ nungsluft gesehen dem Verdichterrad 9 vorgelagert, so dass die mit Atmosphärendruck angesaugte Verbrennungsluft zunächst den Vorsatzläufer 10 und anschließend das Verdichterrad 9 passieren muss und stromab des Verdichterrades in den Ansaugtrakt 7 ge­ leitet wird. Nach der Komprimierung im Verdichter 6 wird die Ladeluft zunächst in einem Ladeluftkühler 12, welcher stromab des Verdichters 6 im Ansaugtrakt 7 angeordnet ist, gekühlt und anschließend der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.The compressor 6 is constructed in two parts and comprises a Ver up terrad 9 and a compressor wheel 9 upstream, ko axially arranged inducer 10, which is driven by an electric motor. 11 The compressor wheel 9 and the front runner 10 can expediently rotate independently of one another. Before block runner 10 is seen in the flow direction of the intake combustion air upstream of the compressor wheel 9 , so that the combustion air sucked in with atmospheric pressure must first pass through the front runner 10 and then the compressor wheel 9 and is conducted downstream of the compressor wheel into the intake tract 7 . After compression in the compressor 6 , the charge air is first cooled in a charge air cooler 12 , which is arranged downstream of the compressor 6 in the intake tract 7 , and then fed to the internal combustion engine 1 .

Die Brennkraftmaschine 1 ist weiterhin mit einer Abgasrückfüh­ rung 13 ausgestattet, über die ein einstellbarer Abgasmassen­ strom aus dem Abgasstrang 5 stromauf der Abgasturbine 3 in den Ansaugtrakt 7 stromab des Ladeluftkühlers 12 geführt werden kann. Die Abgasrückführung 13 umfasst eine Abgasrückführungs­ leitung 14 mit einem einstellbaren Ventil 15 und einem Abgas­ rückführungskühler 16.The internal combustion engine 1 is also equipped with an exhaust gas recirculation device 13 via which an adjustable exhaust gas mass flow from the exhaust gas line 5 upstream of the exhaust gas turbine 3 can be guided into the intake tract 7 downstream of the charge air cooler 12 . The exhaust gas recirculation 13 comprises an exhaust gas recirculation line 14 with an adjustable valve 15 and an exhaust gas recirculation cooler 16 .

Über eine Regel- und Steuereinheit 17 kann die Funktion der einstellbaren Bauelemente der Brennkraftmaschine in Abhängig­ keit von aktuellen Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraft­ maschine sowie der zugeordneten Aggregate eingestellt werden. Über die Regel- und Steuereinheit 17 werden insbesondere die variable Turbinengeometrie 4 der Abgasturbine 3, der den Vor­ satzläufer 10 antreibende Elektromotor 11 und das Ventil 15 der Abgasrückführung 13 eingestellt.Via a regulating and control unit 17 , the function of the adjustable components of the internal combustion engine can be set as a function of the current status and operating parameters of the internal combustion engine and the associated units. Via the regulating and control unit 17 , in particular the variable turbine geometry 4 of the exhaust gas turbine 3 , the propeller rotor 10 driving the electric motor 11 and the valve 15 of the exhaust gas recirculation 13 are set.

Der Elektromotor 11 wird über eine Stromleitung 19 mit Strom aus einem Generator 18 versorgt, welcher von der Brennkraftma­ schine 1 angetrieben wird.The electric motor 11 is supplied via a power line 19 with current from a generator 18 which is driven by the internal combustion engine 1 .

Fig. 2 zeigt einen Verdichter 6 mit einem Verdichterrad 9, be­ stehend aus einer Verdichterradnabe 20 und Verdichterradschau­ feln 21, und einem koaxial zum Verdichterrad 9 angeordnetem, stromauf des Verdichterrades plazierten Vorsatzläufer 10, be­ stehend aus einer Vorsatzläufernabe 22 und Vorsatzläuferschau­ feln 23. Die Vorsatzläufernabe 22 ist drehfest mit dem Rotor des Elektromotors 11 verbunden. Verdichterrad 9 und Vorsatzläu­ fer 10 sind mechanisch entkoppelt und können unabhängig vonein­ ander umlaufen. Dem Vorsatzläufer 10 kann durch eine entspre­ chende Beaufschlagung des Elektromotors 11 eine Drehzahl aufge­ prägt werden, welche sich von der Verdichterraddrehzahl unter­ scheidet. Es kann insbesondere in niedrigen Motordrehzahlberei­ chen, in welchen ein lediglich geringer Abgasgegendruck zum An­ trieb des Laders zur Verfügung steht und dementsprechend auch nur ein vergleichsweise geringer Ladedruck aufgebaut werden kann, der Vorsatzläufer 10 mit einer signifikant höheren Dreh­ zahl umlaufen als das Verdichterrad 9, wodurch in Pfeilrichtung 24 angesaugte Verbrennungsluft vom Vorsatzläufer 10 bereits auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird und/oder durch die Ro­ tation des Vorsatzläufers 10 ein auf das Verdichterrad aerody­ namisch zu übertragender Drall erzeugt wird, welcher das Ver­ dichterrad auf eine erhöhte Drehzahl beschleunigt. Fig. 2 shows a compressor 6 with a compressor wheel 9 , be standing from a compressor wheel hub 20 and compressor wheel fel 21 , and a coaxial to the compressor wheel 9 arranged upstream of the compressor wheel placed rotor 10 , be standing from a front rotor hub 22 and front rotor blades 23 . The attachment rotor hub 22 is connected in a rotationally fixed manner to the rotor of the electric motor 11 . Compressor wheel 9 and Vorsatzläu fer 10 are mechanically decoupled and can circulate independently of each other. The front-end rotor 10 can be embossed by a corresponding action on the electric motor 11, a speed which differs from the compressor wheel speed. It can in particular in low engine speed ranges in which only a low exhaust back pressure is available to drive the supercharger and accordingly only a comparatively low boost pressure can be built up, the front rotor 10 revolve at a significantly higher speed than the compressor wheel 9 , thereby Combustion air drawn in in the direction of arrow 24 is compressed by the auxiliary rotor 10 to an increased boost pressure and / or by the rotation of the auxiliary rotor 10, a swirl to be transmitted to the compressor wheel aerody namically generated, which accelerates the compressor wheel to an increased speed.

Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, zwischen Vorsatzläufer 10 und Verdichterrad 9 eine mechanische Kopplung vorzusehen, welche insbesondere als schaltbare Kupplung ausgebildet sein kann, um bedarfsweise eine drehstarre Verbindung zwischen Vor­ satzläufer und Verdichterrad zu schaffen, die insbesondere bei höheren Drehzahlen des Verdichterrades auch wieder freigegeben werden kann.It may optionally be advantageous to between inducer 10 and provide a mechanical coupling of the compressor wheel 9, may be that formed in particular as a switchable clutch in order to create, if necessary, a torsionally rigid connection between the front of block runner and the compressor wheel, which are also enabled again particularly at higher rotational speeds of the compressor wheel can.

Der vergrößerten Darstellung von Verdichterrad 9 und Vorsatz­ läufer 10 gemäß Fig. 3 ist zu entnehmen, dass der Austrittswin­ kel βV,A der Vorsatzläuferschaufeln 23 einen größeren Wert ein­ nimmt als der Eintrittswinkel βR,E der Verdichterradschaufeln 21. Der Austrittswinkel βV,A der Vorsatzläuferschaufeln 23 wird hierbei als Winkel der Tangente an die Vorsatzläuferschaufeln 23 auf der dem Verdichterrad 9 zugewandten Seite - gekennzeich­ net mit "A" - relativ zur Drehebene des Vorsatzläufers 10 defi­ niert. Der Eintrittswinkel βR,E ist in entsprechender Weise als Winkel der Tangente an die Verdichterradschaufeln 21 auf der dem Vorsatzläufer zugewandten Seite "E" relativ zur Drehebene des Verdichterrades 9 definiert. Der Austrittswinkel βV,A der Vorsatzläuferschaufeln 23 übersteigt den Eintrittswinkel βR,E der Verdichterradschaufeln 21, wobei zweckmäßig der Austritts­ winkel βV,A in einem Wertebereich zwischen 75° und 100°, insbe­ sondere bei etwa 85°, und der Verdichterradschaufel- Eintrittswinkel βR,E in einem Wertebereich zwischen 30° und 45°, beispielsweise bei etwa 35° liegt. Es kann vorteilhaft sein, den Austrittswinkel βV,A doppelt so groß zu gestalten wie den Eintrittswinkel βR,E.The enlarged representation of the compressor wheel 9 and the attachment rotor 10 according to FIG. 3 shows that the exit angle β V, A of the attachment rotor blades 23 has a larger value than the entry angle β R, E of the compressor wheel blades 21 . The exit angle β V, A of the front rotor blades 23 is defined here as the angle of the tangent to the front rotor blades 23 on the side facing the compressor wheel 9 - marked with "A" - relative to the plane of rotation of the front rotor 10 . The entry angle β R, E is correspondingly defined as the angle of the tangent to the compressor wheel blades 21 on the side “E” facing the front rotor relative to the plane of rotation of the compressor wheel 9 . The exit angle β V, A is the inducer blades 23 exceeds the angle of entry β R, E of the compressor wheel 21, wherein suitably the exit angle β V, A in a range of values between 75 ° and 100 °, in particular sondere at about 85 °, and the Verdichterradschaufel- Entry angle β R, E is in a range of values between 30 ° and 45 °, for example around 35 °. It can be advantageous to make the exit angle β V, A twice as large as the entry angle β R, E.

Wie dem Vektordiagramm nach Fig. 4 in Verbindung mit der Dar­ stellung der Fig. 3 zu entnehmen, entsteht in Abhängigkeit des Austrittswinkels βV,A der Vorsatzläuferschaufeln 23, des Ein­ trittswinkels βR,E der Verdichterradschaufeln 21, der Umfangsge­ schwindigkeit UV des Vorsatzläufers 10, der Umfangsgeschwindig­ keit UR des Verdichterrades 9 sowie eines in Strömungsrichtung 24 weisenden Vektors cm, mit dem die mittlere Strömungsge­ schwindigkeit der das Verdichterrad 9 passierenden Verbren­ nungsluft bezeichnet wird, eine Falschanströmung i auf das Ver­ dichterrad 9, welche definiert wird als Winkel zwischen dem tatsächlichen Geschwindigkeitsvektor wR,E der auf das Verdich­ terrad treffenden Gasströmung und der Tangente 25 an die Ver­ dichterradschaufeln 21 auf der dem Vorsatzläufer 10 zugewandten Seite des Verdichterrades, wobei die Tangente 25 den hintritts­ winkel βR,E der Verdichterradschaufeln 21 festlegt. Der tatsäch­ liche Geschwindigkeitsvektor wR,E der auf das Verdichterrad auf­ treffenden Gasströmung setzt sich vektoriell zusammen aus der Umfangsgeschwindigkeit uR des Verdichterrades und einem Vektor cR,E der Absolutgeschwindigkeit der Gasströmung, welcher paral­ lel verläuft zu und die gleiche Länge aufweist wie ein Vektor cV,A der Absolutgeschwindigkeit am Austritt des Vorsatzläufers 10 (gestrichelt dargestellt), der wiederum vektoriell aus der Umfangsgeschwindigkeit uV des Vorsatzläufers 10 und einem tat­ sächlichen Geschwindigkeitsvektor wV,A im Bereich des Austritts "A" aus dem Vorsatzläufer 10 ermittelbar ist, wobei der Ge­ schwindigkeitsvektor wV,A gegenüber der Drehebene des Vorsatz­ läufers den geometrisch festgelegten Austrittswinkel βV,A ein­ schließt. Der tatsächliche Geschwindigkeitsvektor wV,A und der Vektor der absoluten Geschwindigkeit cV,A weisen beide in Strö­ mungsrichtung 24 eine Komponente auf, die der mittleren Strö­ mungsgeschwindigkeit cm entspricht. Der Vektor der tatsächli­ chen Geschwindigkeit wR,E am Eintritt "E" des Verdichterrades 9 schließt gegenüber der Drehebene des Verdichterrades den Winkel βR,E ein.As the vector diagram of FIG. 4 in conjunction with the Dar position of FIG. Refer 3, is produced as a function of the exit angle β V, A is the inducer blades 23, enters angle β R, E of the compressor wheel 21, the Umfangsge speed U V of intent rotor 10, the peripheral speed U R of the compressor wheel 9 and a pointing in the flow direction 24 vector c m, with which the average flow speed of the compressor wheel is referred 9 passing combustion air, a Falschanströmung i on the Ver up terrad 9, which is defined as Angle between the actual speed vector w R, E of the gas flow hitting the compression wheel and the tangent 25 to the compressor wheel blades 21 on the side facing the front rotor 10 of the compressor wheel, the tangent 25 defining the entry angle β R, E of the compressor wheel blades 21 , The actual speed vector w R, E of the gas flow impinging on the compressor wheel is composed vectorially of the peripheral speed u R of the compressor wheel and a vector c R, E of the absolute speed of the gas flow, which runs parallel to and has the same length as Vector c V, A of the absolute speed at the outlet of the front runner 10 (shown in dashed lines), which in turn can be determined vectorially from the peripheral speed u V of the front runner 10 and an actual speed vector w V, A in the region of the exit "A" from the front runner 10 , The Ge speed vector w V, A with respect to the plane of rotation of the front rotor includes the geometrically defined exit angle β V, A. The actual speed vector w V, A and the vector of the absolute speed c V, A both have a component in the direction of flow 24 which corresponds to the mean flow rate c m . The vector of the actual speed w R, E at the inlet "E" of the compressor wheel 9 includes the angle β R, E with respect to the plane of rotation of the compressor wheel.

Die Falschanströmung i liegt bevorzugt in einem Winkelbereich von -5° bis +30°, wobei ein positiver Wert der Falschanströmung i - wie in Fig. 4 dargestellt - einen Rückenstoß auf die Rück­ seite der Verdichterradschaufeln 21 und ein negativer Wert von i einen Bauchstoß auf die Vorderseite der Verdichterradschau­ feln 21 zur Folge hat.The false flow i is preferably in an angular range from -5 ° to + 30 °, a positive value of the wrong flow i - as shown in FIG. 4 - a back impact on the rear side of the compressor wheel blades 21 and a negative value of i a abdominal impact the front of the compressor wheel show feln 21 results.

Fig. 5 zeigt ein Auslegungsdiagramm mit einem Bereich der Schaufelwinkeldifferenz βV,A - βR,E zwischen zwei Grenzlinien, die eine Falschanströmung i = -5° und i = +30° markieren, in Abhängigkeit der Differenz der Umfangsgeschwindigkeiten uV - uR bezogen auf die mittlere Geschwindigkeit cm der Gasströmung. Die beiden Kurven für die Falschanströmung i = -5° (Bauchstoß) und i = 30° (Rückenstoß) begrenzen einen zwischenliegenden be­ vorzugten Bereich für den Betrieb des Verdichters und kenn­ zeichnen sowohl eine bevorzugte Schaufeldifferenz von Aus­ trittswinkel βV,A der Vorsatzläuferschaufeln und Eintrittswinkel βR,E der Verdichterradschaufeln als auch eine bevorzugte Um­ fangsgeschwindigkeitsdifferenz von Umfangsgeschwindigkeit uV des Vorsatzläufers und Umfangsgeschwindigkeit uR des Verdich­ terrades. Bereiche, in denen eine kleinere Falschanströmung als i = -5° herrscht, sollten vermieden werden, da in diesem Be­ reich außerhalb des gekennzeichneten Gebietes Pumpgefahr im Verdichter herrscht. Andererseits kann es im transienten Be­ reich des Verdichters insbesondere bei niedrigen Motordrehzah­ len vorteilhaft sein, die Falschanströmung in Richtung der Grenzlinie i = 30° oder gegebenenfalls auch auf einen noch grö­ ßeren Wert einzustellen, da in diesem Bereich ein starker Mit­ drall zwischen Vorsatzläufer und Verdichterrad herrscht, wel­ cher zu einer Drehzahlsteigerung des Verdichterrades und mithin zu einer Ladedrucksteigerung genutzt werden kann. Fig. 5 shows a design diagram with a range of the blade angle difference β V, A - β R, E between two boundary lines, which mark a false flow i = -5 ° and i = + 30 °, depending on the difference in the peripheral speeds u V - u R related to the average velocity c m of the gas flow. The two curves for the incorrect inflow i = -5 ° (abdominal joint) and i = 30 ° (back joint) limit an intermediate preferred area for the operation of the compressor and characterize both a preferred blade difference from the exit angle β V, A of the front rotor blades and Entry angle β R, E of the compressor wheel blades as well as a preferred circumferential speed difference between the peripheral speed u V of the front rotor and the peripheral speed u R of the compression wheel. Areas in which the wrong inflow is less than i = -5 ° should be avoided, since there is a risk of pumping in the compressor outside of the marked area. On the other hand, it can be advantageous in the transient area of the compressor, especially at low engine speeds, to set the incorrect inflow in the direction of the limit line i = 30 ° or, if necessary, to an even greater value, since in this area there is a strong swirl between the front rotor and the compressor wheel there is what can be used to increase the speed of the compressor wheel and thus to increase the boost pressure.

In Fig. 5 ist als bevorzugte Auslegung für die Vorsatzläufer­ schaufeln ein Austrittswinkel βV,A = 85° eingetragen, wobei die­ se Winkelwahl des Austrittswinkels der Vorsatzläuferschaufeln insbesondere bei einem motorisch angetriebenen Vorsatzläufer ein schnelles Hochlaufen des Laderrotors unterstützt. Anderer­ seits kann bei stillstehendem Vorsatzläufer bei einem Aus­ trittswinkel βV,A = 85° ein Gegendrall erzeugt werden, der eine Sperrwirkung im Verdichtereintritt bewirken kann, wodurch der einzustellende Druckbereich der Ladeluft stromab des Verdich­ ters insbesondere in Richtung kleinerer Druckwerte vergrößert werden kann. Die Sperrwirkung kann durch ein gegenläufiges Um­ drehen des Vorsatzläufers gegenüber dem Verdichterrad noch ver­ größert werden.In Fig. 5 a preferred design for the front rotor blades an exit angle β V, A = 85 ° is entered, the se angle selection of the outlet angle of the front rotor blades supports a rapid run-up of the supercharger rotor, particularly in the case of a motor-driven front rotor. On the other hand, a counter-swirl can be generated with the auxiliary rotor at a standstill at an exit angle β V, A = 85 °, which can have a blocking effect in the compressor inlet, whereby the pressure range of the charge air to be set downstream of the compressor can be increased, in particular in the direction of smaller pressure values. The locking effect can be increased by turning the front rotor in opposite directions to the compressor wheel.

Der von den Falschanströmungen i = -5° und i = 30° begrenzte, bevorzugte Auslegungsbereich liegt bei einem Differenzwinkel βV,A - βR,E = 0 (Austrittswinkel βV,A identisch mit dem Eintritts­ winkel βR,E) zu einem größeren Teil im Bereich der positiven Ab­ szisse. Mit zunehmendem Differenzwinkel verlagert sich der Aus­ legungsbereich in Richtung der negativen Abszisse und steigt zugleich stark an. Mit abnehmendem Differenzwinkel nimmt auch die Steigung des Auslegungsbereichs ab.The preferred design range limited by the incorrect flows i = -5 ° and i = 30 ° is at a difference angle β V, A - β R, E = 0 (outlet angle β V, A identical to the inlet angle β R, E ) a larger part in the area of the positive abscissa. With increasing difference angle, the design range shifts in the direction of the negative abscissa and at the same time rises sharply. As the difference angle decreases, the slope of the design range also decreases.

Claims (8)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einer im Abgasstrang (5) der Brennkraftmaschine (1) angeordneten Abgas­ turbine (3) und einem im Ansaugtrakt (7) angeordneten Verdich­ ter (6), in dessen Einströmbereich ein Verdichterrad (9), das Verdichterradschaufeln (21) aufweist, angeordnet ist, wobei das Verdichterrad (9) drehfest mit der Abgasturbine (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
dass dem Verdichterrad (9) ein separat ausgebildeter, koaxial angeordneter Vorsatzläufer (10) mit Vorsatzläuferschaufeln (23) vorgelagert ist, und dass der Austrittswinkel (βV,A) der Vor­ satzläuferschaufeln (23) größer ist als der Eintrittswinkel (βR,E) der Verdichterradschaufeln (21), wobei
der Austrittswinkel (βV,A) der Vorsatzläuferschaufeln (23) als Winkel der Tangente an die Vorsatzläuferschaufeln (23) auf der dem Verdichterrad (9) zugewandten Seite relativ zur Drehebene des Vorsatzläufers (10) und
der Eintrittswinkel (βR,E) der Verdichterradschaufeln (21) als Winkel der Tangente an die Verdichterradschaufeln (21) auf der dem Vorsatzläufer (10) zugewandten Seite relativ zur Drehebene des Verdichterrades (9)
definiert ist.
1. Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, with an exhaust gas turbine ( 3 ) arranged in the exhaust line ( 5 ) of the internal combustion engine ( 1 ) and a compressor ( 6 ) arranged in the intake tract ( 7 ), in the inflow region of which a compressor wheel ( 9 ), the compressor wheel blades ( 21 ), is arranged, the compressor wheel ( 9 ) being connected to the exhaust gas turbine ( 3 ) in a rotationally fixed manner, characterized in that
that the compressor wheel (9), a separately formed, arranged coaxially inducer is upstream (10) with auxiliary rotor blades (23), and that the exit angle (β V, A) of the pre set rotor blades (23) is greater than the entry angle (β R, E ) of the compressor wheel blades ( 21 ), wherein
the exit angle (β V, A ) of the attachment rotor blades ( 23 ) as the angle of the tangent to the attachment rotor blades ( 23 ) on the side facing the compressor wheel ( 9 ) relative to the plane of rotation of the attachment rotor ( 10 ) and
the entry angle (β R, E ) of the compressor wheel blades ( 21 ) as the angle of the tangent to the compressor wheel blades ( 21 ) on the side facing the front rotor ( 10 ) relative to the plane of rotation of the compressor wheel ( 9 )
is defined.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatzläuferschaufel-Austrittswinkel (βV,A) in einem Winkelbereich zwischen 75° und 100° liegt.2. Exhaust gas turbocharger according to claim 1, characterized in that the front rotor blade exit angle (β V, A ) is in an angular range between 75 ° and 100 °. 3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatzläuferschaufel-Austrittswinkel (βV,A) 85° be­ trägt.3. Exhaust gas turbocharger according to claim 2, characterized in that the front rotor blade exit angle (β V, A ) is 85 ° be. 4. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Verdichterradschaufel-Eintrittswinkel (βR,E) in einem Winkelbereich zwischen 30° und 45° liegt.4. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compressor wheel blade entry angle (β R, E ) is in an angular range between 30 ° and 45 °. 5. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung des Vorsatzläufers (10) unabhängig von der Drehbewegung des Verdichterrades (9) einstellbar ist.5. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 4, characterized in that the rotational movement of the front rotor ( 10 ) is adjustable independently of the rotational movement of the compressor wheel ( 9 ). 6. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatzläufer (10) von einem Elektromotor (11) antreibbar ist.6. Exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the front rotor ( 10 ) can be driven by an electric motor ( 11 ). 7. Verfahren zum Betrieb eines Abgasturboladers für eine Brenn­ kraftmaschine, insbesondere eines Abgasturboladers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine im Abgasstrang (5) der Brennkraftmaschine (1) angeordnete Abgasturbine (3) ein Ver­ dichterrad (9) mit Verdichterradschaufeln (21) eines im Ansaug­ trakt (7) angeordneten Verdichters (6) antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Verdichterrad (9) vorgelagerter und separat ausge­ bildeter, koaxial angeordneter Vorsatzläufer (10) in der Weise angetrieben wird, dass eine Falschanströmung (i) auf das Ver­ dichterrad (9) in einem Winkelbereich zwischen -5° und 30° liegt, wobei die Falschanströmung (i) definiert ist als Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor (wR,E) der Luftströmung auf das Verdichterrad (9) und der Tangente an die Verdichterrad­ schaufeln (21) auf der dem Vorsatzläufer (10) zugewandten Sei­ te, wobei eine positive Falschanströmung (i) einen Rückenstoß auf das Verdichterrad (9) und eine negative Falschanströmung (i) einen Bauchstoß auf das Verdichterrad (9) zur Folge hat.7. A method for operating an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, in particular an exhaust gas turbocharger according to one of claims 1 to 6, in which an exhaust gas turbine ( 3 ) arranged in the exhaust line ( 5 ) of the internal combustion engine ( 1 ) has a compressor wheel ( 9 ) with compressor wheel blades ( 21 ) drives a compressor ( 6 ) arranged in the intake tract ( 7 ), characterized in that a coaxially arranged auxiliary rotor ( 10 ) upstream of the compressor wheel ( 9 ) and separately formed is driven in such a way that an incorrect inflow (i) on the compressor wheel ( 9 ) is in an angular range between -5 ° and 30 °, the false flow (i) being defined as the angle between the speed vector (w R, E ) of the air flow on the compressor wheel ( 9 ) and the tangent shovel the compressor wheel ( 21 ) on the side facing the front rotor ( 10 ), whereby a positive false flow (i) causes a back impact on the compressor wheel ( 9 ) and a negative false inflow (i) results in an abdominal impact on the compressor wheel ( 9 ). 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ladedrucksteigerung im niedrigen Drehzahlbereich zur Einstellung einer positiven Falschanströmung (i) der Vorsatz­ läufer (10) auf eine Drehzahl beschleunigt wird, die höher ist als die Verdichterraddrehzahl.8. The method according to claim 7, characterized in that to increase the boost pressure in the low speed range for setting a positive false flow (i) the front-runner ( 10 ) is accelerated to a speed that is higher than the compressor wheel speed.
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