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Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader mit den Merkmalen aus dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Sie
geht von der Veröffentlichung "Neue Erkenntnisse
bei der Entwicklung von Aufladesystemen für PKW-Motoren", der Firma BorgWarner
Turbo Systems, vom Februar 2003, aus. In dieser ist der Stand der
Technik bezüglich
Abgasturbolader, sowie die Möglichkeiten
der Verbesserung des Wirkungsgrades von gattungsgemäßen Abgasturboladern
für PKW-Dieselmotoren
beschrieben. Neben einer möglichen
Abgasturboladerverbesserung mittels variabler Turbinengeometrie,
ist auch die Möglichkeit
der Verbesserung mittels variabler Verdichtergeometrie (Vordrallregler)
beschrieben. In dem Kapitel 2.2 „Abgasturbolader mit variabler
Verdichtergeometrie" ist ausgeführt, dass
aktuell, aufgrund der weiter steigenden Forderungen im Motorenbau,
insbesondere bei hoch aufgeladenen Motoren, ein System zur Regelung
des Verdichters untersucht wird. Generell sind hierbei Regelungen
mittels Vor- und Nachleitbeschaufelung, bzw. Bypassregelung möglich. Bezüglich der
Vordrallregelung ist aus einem Verdichterkennfeld, 6,
ersichtlich, dass die Gesamtkennfeldbreite zunimmt und bereits bei
niedrigsten Motordrehzahlen ein hoher Ladedruck gehalten werden kann,
ohne die Pumpgrenzen des Verdichters zu erreichen. Bei der beschriebenen
Bypassregelung wird der Saugraum des Verdichters über einen
Bypass mit dem Druckraum des Verdichters verbunden. Vor-, bzw. Nachleitbeschaufelung
und Bypassregelung werden hierbei als separate Optimierungsmöglichkeiten
für Abgasturbolader
betrachtet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, für einen gattungsgemäßen Abgasturbolader
eine weitere Möglichkeit
der Wirkungsgradverbesserung aufzuzeigen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Durch
die Einbringung eines Drosselelementes in den Bypass, sowie die
spiralförmige
Ausgestaltung des Bypass um den Saugraum herum, wird mit dem geregelt
oder gesteuert oder selbstgeregelten, rückgeführten Bypass-Gas im Saugraum
ein Drall erzeugt, wobei bei gleich bleibenden Druckverhältnissen
der Massenstrom durch den Verdichter erhöht wird. Hierdurch wird der
Verdichter, bzw. der Abgasturbolader aufgrund einer Betriebspunktverschiebung,
in einen wesentlich besseren Wirkungsgradbereich verschoben.
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Zu
den bereits bekannten Vorteilen beim Einsatz eines Verdichterbypasses
(Verschiebung des Betriebspunktes) und der Vordrallerzeugung (Verschiebung
der Pumpgrenze), ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
folgende, bisher nicht erkannte und unvorhersehbare Zusatznutzen:
- – Bei
kleinen Massendurchsätzen
kann aufgrund der Kombination der beiden Maßnahmen das volle Potential
der variablen Turbinengeometrie zur Ladedrucksteigerung genutzt
werden (siehe 3).
- – Durch
die kompakte Konstruktion des Bypass ist es möglich, die kinetische Energie
des Bypass-Luftstroms und/oder Blowby-Stroms und des Niederdruck-Abgasrückführstroms
zur Vordrallerzeugung des Hauptansaugluftstroms zu verwenden. Dadurch
entsteht ein wesentlich günstigerer
Gesamtwirkungsgrad von Bypass und Vordrallerzeugung gegenüber allen
bisher aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
- – Die
Vordrallerzeugung mittels Bypass-Luftstrom hat dem zur Folge, dass
kein Vorleitapparat (= Strömungswiderstand)
im Hauptstromsaugkanal, d. h. im Saugraum, benötigt wird. Zudem befinden sich
keine beweglichen Teile im Ansaugkanal des Abgasturboladers, was
das Risiko für
Beschädigungen
erheblich verkleinert.
- – Die
Bypass-Luftstromeinleitung nahe des Verdichters erschwert zusätzlich eine
Verschmutzung eines Heißfilmluftmassenmessers
(wird für die
Messung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse benötigt) durch
Bypass-Luftstrom-Kondensat, da ein maximal großer Abstand zwischen Bypass-Luftstrom-Einleitung
und Heißfilmluftmassenmesser
gewährleistet
ist. Ferner ist der Bypass-Luftstrom-Gasaufstieg in Richtung des
Heißfilmluftmassenmessers nach
einem Abstellen des Motors aufgrund der Kaminwirkung ebenfalls reduziert,
da die Einleitstelle des Bypass-Luftstroms an der höchsten Stelle
des Verdichters stattfindet.
- – Die
schneckenförmige
Einleitung des Bypass-Luftstroms in den Hauptansaugstrom ermöglicht eine
gezielte Vordrallerzeugung in den äußeren Randzonen des Ansaugluftstroms. Durch
die hohen Umfangsgeschwindigkeiten an den Verdichterradaußenkanten
ergibt sich so eine maximal effiziente Vordrallerzeugung zur Vermeidung
von Strömungsabrissen
an den Verdichterschaufeln.
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Um
alle oben genannten Vorteile voll ausnützen zu können und eine gleichmäßige Einströmung des
Bypass-Luftstroms in den Saugraum zu gewährleisten, ist der Bypass gemäß Patentanspruch
2 in zumindest zwei Bypasskanäle
aufgeteilt, deren Öffnungen
gemäß Patentanspruch
3 weitgehend tangential in den Saugraum münden.
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Mit
der Ausgestaltung gemäß der Patentansprüche 4 und
5 wird eine weitere Vergleichmäßigung der
Einströmung
des Bypass-Luftstroms in den Saugraum erzielt. Dies gilt insbesondere,
wenn mehrere Bypass-Kanäle,
bzw. Öffnungen über den
Außenumfang
des Saugraumes verteilt angeordnet sind.
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Eine
nochmals verbesserte Einströmung
des Bypass-Luftstroms in den Saugraum wird gemäß Patentanspruch 6 erzielt,
wobei das Strömungsleitelement
für eine
bessere Montage, bzw. Demontage gemäß Patentanspruch 7 ausgeführt ist.
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Während gemäß Patentanspruch
8 mit einer starren Geometrie des Strömungsleitelementes hervorragende
statische Einströmbedingungen
erzielt werden, können diese
durch eine variable, d. h. veränderbare
Geometrie optimal auf instationäre
Bedingungen angepasst werden.
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Patentanspruch
9 führt
eine besonders bevorzugte Ausführungsform
des Drosselelementes an.
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Vorzugsweise
kann die Betätigung
des Drosselelementes nach den Patentansprüchen 10 und 11 regel- oder
steuerbar pneumatisch oder elektropneumatisch oder elektromotorisch
oder hydraulisch erfolgen. Auch eine selbstregelnde Steuerung durch
eine gezielte Auslegung der Ventilflächen (= Einfluss der Druckdifferenz)
und Messung des Massenstromes als Regelgröße (kann durch Messung des
Widerstandes im Luftstrom oder mittels BrandtI-Rohr oder anderen
mechanischen Luftmassenmessverfahren erfolgen), ist möglich.
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Die
bauliche Ausführung
gemäß Patentanspruch
12 erzielt eine kleine Bauform, sowie die baulich vorteilhafte Integration
des Drosselelementes in das Gehäuse
des Turboladers.
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Mit
einer Anordndung gemäß Patentanspruch
13 wird auch die kinetische Energie des Blow-By Gases und/oder des
Niederdruck-Abgasrückführstromes
zur Drallerzeugung ausgenutzt.
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Im
Folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in zwei Figuren,
sowie in einem Funktionsdiagramm als dritte Figur näher erläutert.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit einem
innerhalb eines Gehäuses
angeordneten Bypass.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Abgasturbolader.
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3 zeigt
ein Diagramm zur Verdeutlichung der Wirkungsgradsteigerung aufgrund
der erfindungsgemäßen Ausführung des
Abgasturboladers.
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1 zeigt
die Aufsicht auf einen Verdichter 2 eines Abgasturboladers 1.
Der Verdichter 2 weist einen Saugraum 2a, sowie
eine Druckraum 2b auf. Der Saugraum 2a und der
Druckraum 2b sind mit einem Blow-By Kanal 3 gasführend verbindbar.
Der Blow-By Kanal 3 und/oder ein nicht näher dargestellter
Niederdruck-Abgasrückführkanal
sind weitgehend außerhalb
eines Gehäuses 6 des
Abgasturboladers 1 angeordnet und mit einem Ende gasführend mit
dem Druckraum 2b verbunden. Das andere Ende des Blow-By
Kanals 3 und/oder des Niederdruck-Abgasrückführkanals ist mit dem Saugraum 2a verbindbar.
Eine frische Ansaugluft wird über
ein Reinluftrohr 9, welches mit dem Saugraum 2a gasführend verbunden
ist, gefördert.
Die vom Verdichter 2 komprimierte Ansaugluft wird über eine
Ladeluftleitung 7, die mit dem Druckraum 2b gasführend verbunden
ist, in Richtung eines nicht dargestellten Brennraumes abgeführt. Ferner
ist am Gehäuse 6 eine
Stellvorrichtung 4' für ein in 2 näher dargestelltes
Drosselelement 4, das eine Luftmenge durch einen Bypass 2c steuert
oder regelt, erkennbar. Der Bypass 2c erstreckt sich innerhalb
des Gehäuses 6 spiralförmig um
den Saugraum 2a und verbindet den Druckraum 2b mit
dem Saugraum 2a des Verdichters 2. Saugraumseitig
ist der Bypass 2c in mehrere Bypass-Kanäle 2d, 2d' aufgeteilt,
erkennbar in 2, und mündet mit deren Öffnungen 2e, 2e' weitgehend
tangential in den Saugraum 2a. Die Öffnungen 2e, 2e' sind von einem
Strömungsleitelement 5,
das in die Bypass-Kanäle 2d, 2d' integriert
ist, gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Strömungsleitelement 5 für alle Bypass-Kanäle 2d, 2d' vorgesehen, in
weiteren Ausführungsvarianten
kann für
jede Öffnung 2e, 2e' ein eigenes
Strömungsleitelement 5 vorgesehen
werden.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Verdichter 2 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 mit
Blick in den Saugraum 2a. In 2 gelten
für die gleichen
Bauelemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1.
Radial am Außenumfang
des Saugraums 2a ist das bereits erwähnte Strömungsleitelement 5 angeordnet.
Zentral zu dem Strömungsleitelement 5 befindet
sich ein Verdichterrad 10, welches die durch den Saugraum 2a angesaugte
frische Ansaugluft komprimiert und in den Druckraum 2b fördert. In
den Bypass 2c mündet
ein Drosselelement 4 mit einer Stellvorrichtung 4'. Das Drosselelement 4, im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ein Ventil, regelt bzw. steuert die von dem Druckraum 2b durch den
Bypass 2c in den Saugraum 2a rückgeführte Luftmenge.
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Das
Drosselelement 4 ist, wie bereits erwähnt, regel- bzw. steuerbar
und kann pneumatisch oder elektromagnetisch oder elektromotorisch
oder hydraulisch oder selbstregelnd, durch die gezielte Auslegung
der Ventilflächen
und Messung des Massenstromes als Regelgröße betätigt werden. Ferner ist der
Ventilsitz des Drosselelementes 4 in dem Gehäuse 6 des
Abgasturboladers 1 angeordnet. Hierdurch ist eine besonders
kleinbauende und kompakte Einheit erzielt. Der Bypass 2c ist
vollständig
in das Gehäuse 6 integriert,
um eine kleinstmögliche
Bauform zu erzielen. Durch die tangentiale Einmündung der Bypass-Kanäle 2d, 2d' in den Saugraum 2a ist ein
maximaler Drall im Saugraum 2a erzielt, wodurch der Wirkungsgrad
des Abgasturboladers 1 verbessert wird. Durch die Verteilung
der Bypass-Kanäle 2d, 2d', bzw. deren Öffnungen
radial am Außenumfang
des Saugraumes 2a, wird ein gleichmäßiger Drall über den
Umfang des Saugraumes 2a erzielt. Eine bestmögliche Vergleichmäßigung wird
dadurch erzielt, dass die Öffnungen 2e, 2e' bei gleichem
Abstand voneinander über
den Umfang unterschiedliche Öffnungsquerschnitte
aufweisen, oder gleiche Öffnungsquerschnitte
bei unterschiedlichen Abständen
voneinander. Auch die Kombination unterschiedlicher Abstände mit
unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten
ist möglich.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Strömungsleitelement 5 als
separates Bauelement mit starrer, d. h. unveränderlicher Geometrie ausgeführt, wodurch
es insbesondere im Servicefall einfach ersetzbar bzw. wechselbar
ist. Für eine
Anpassung der Einströmcharakteristik
des Bypass-Luftstroms kann das Strömungsleitelement 5 auch über eine
variable Geometrie verfügen.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 anhand
eines Diagramms in 3 näher beschrieben. Um bei geringen
Brennkraftmaschinendrehzahlen ein Maximum an Drehmoment zu realisieren,
ist es erforderlich, ein möglichst
hohes Druckverhältnis
zwischen dem Druckraum 2b zu dem Saugraum 2a zu
erzielen. Dieses Druckverhältnis
ist in dem Diagramm als Druckverhältnis P2/P1 auf der Y-Achse von dem Wert 1 bis zum
Wert 3,4 über
die X-Achse, die einen reduzierten Massenstrom von dem Wert 0 bis
zum Wert 40 repräsentiert,
aufgetragen.
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Das
für den
Abgasturbolader 1 maximale Druckverhältnis P2/P1 wird von einer Pumpgrenze 11 definiert.
Bei Überschreiten
der Pumpgrenze 11 kommt es zu einer sog. Ablösung und
Rückströmung des
Ansaugluftstroms von den Schaufeln des Verdichterrades 10 und
dadurch zu erhöhten
Bauteilbeanspruchungen, sowie ungewünschten Akustikabstrahlungen.
In dem Diagramm sind Wirkungsgradbereiche des Abgasturboladers 1 von
60 % bis 79 % mit Linien 15, 15' bezeichnet. Diesen überlagert
sind Drehzahlkennlinien 16, 16' von 85.000 bis 185.000 1/min des
Abgasturboladers 1, bzw. des Verdichters 2, die
sich von der Pumpgrenze 11 in Richtung eines größeren reduzierten
Massenstroms erstrecken. Mit einer Linie 12 ist eine Brennkraftmaschinen-Kennlinie
ohne Bypassregelung bezeichnet, mit einer Linie 14 ist
eine Brennkraftmaschinen-Kennlinie mit einem geregelten Bypass bezeichnet.
Deutlich erkennbar ist die Verschiebung der Brennkraftmaschinen-Kennlinie 12,
in einen Bereich rechts von der Pumpgrenze 11, sowie die
Verschiebung der Pumpgrenze 11 aufgrund des Vordralls 17.
Die Verschiebung ist mit einem Pfeil 13 gekennzeichnet.
Durch diese Verschiebung 13 werden alle oben genannten
Nachteile wie Ablösung,
Rückströmung und
Akustikabstrahlung vermieden und der Wirkungsgrad des Abgasturboladers 1 verbessert.
Mit anderen Worten: durch die geregelte Rückführung des Ansaugluftmassenstroms wird
bei gleichbleibendem Druckverhältnis
der Ansaugluftmassenstrom durch den Verdichter 2 erhöht. Die
im Kreis gepumpte Ansaugluftmasse bewirkt den Betrieb des Verdichters 2 in
einem günstigeren
Wirkungsgradbereich.
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In
weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Betätigung
des Drosselelementes 4 mittels einer Unterdruckdose (mechanisch),
eines Elektromagneten, eines Servomotors, oder hydraulisch bzw.
pneumatisch, oder selbstregelnd erfolgen. Die Rückstellung in die Ruhelage
kann darüber
hinaus mittels eines Federelementes, der Schwerkraft, einem elastischen Element,
einer Unterdruckdose (mechanisch), einem Elektromagneten, einem
Servomotor oder hydraulisch bzw. pneumatisch erfolgen. Das Drosselelement 4 kann
sowohl ungeregelt, als auch geregelt (mit Wegrückmeldung) angesteuert werden,
oder selbstregelnd sein. Besonders bevorzugt wird die Möglichkeit,
den Ventilsitz des Drosselelementes 4 direkt in das Gehäuse 6 zu
integrieren. Die Gestaltung des Drosselelementes kann je nach Anforderung
an die Regelcharakteristik zylindrisch, kegelig, kugelig oder eine
Kombination verschiedenster geometrischen Formen sein.
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Als
weiteren Vorteil bietet dieses Konstruktionsprinzip die Möglichkeit,
den rückgeführten Luftstrom über mehrere, über den
Umfang des Saugraums 2a verteilt angeordnete spiralförmige Kanäle einzuleiten.
Voraussetzung für
eine gleichmäßig verteilte
Einleitung ist die genaue Abstimmung von Spiralgeometrie mit den Öffnungsquerschnitten,
bzw. den eventuell vorhandenen Luftleitelementen 5. Eine zusätzliche
Vergrößerung des
Saugraums 2a im Bereich der Einströmöffnungen ermöglicht eine
zum Großteil
verlustfreie Rückführung.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Verdichter
- 2a
- Saugraum
- 2b
- Druckraum
- 2c
- Bypass
- 2d,
2d'
- Bypass-Kanal
- 2e,
2e'
- Öffnung
- 3
- Blow-By
Kanal und/oder Niederdruck-Abgasrückführkanal
- 4
- Drosselelement
- 4'
- Stellvorrichtung
- 5
- Strömungsleitelement
- 6
- Gehäuse
- 7
- Ladeluftleitung
- 8
- Ventilsitz
- 9
- Reinluftrohr
- 10
- Verdichterrad
- 11
- Pumpgrenze
- 12
- Motorkennlinie
ohne Bypassregelung
- 13
- Verschiebung
des Betriebspunktes
- 14
- Motorkennlinie
mit geregeltem Bypass
- 15
- Wirkungsgradbereich
- 16
- Drehzahlkennlinie
- 17
- Verschiebung
durch Vordrall