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Die Erfindung bezieht sich auf einen
Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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In der Druckschrift
DE 199 55 508 C1 wird ein
Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine beschrieben, der eine von den Abgasen angetriebene Abgasturbine
sowie einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst, welcher angesaugte
Verbrennungsluft auf einen erhöhten
Ladedruck verdichtet. Der Verdichter weist in einem axialen Verdichtereinlasskanal
ein drehbar gelagertes Verdichterrad auf, welches axial zugeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten Druck
verdichtet. Parallel zum Verdichtereinlasskanal verläuft ein
separat ausgebildeter Zusatzkanal im Verdichtergehäuse, der
in Höhe
des Verdichterrades radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Über den
Zusatzkanal kann ebenfalls Verbrennungsluft zugeführt werden,
die unmittelbar auf die Radschaufelndes Verdichterrades auftrifft
und dadurch dem Verdichterrad einen antreibenden Drehimpuls versetzt,
der insbesondere in Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine mit niedriger Last und Drehzahl für ein erhöhtes Drehzahlniveau
des Laders sorgt. Stromauf des Verdichterrades befindet sich im
Bereich einer Abzweigung einer Zufuhrleitung zum Verdichtereinlasskanal
und dem Zusatzkanal ein einstellbares Sperrorgan, über das
die jeweiligen Luftmassenströme
in den axialen Verdichtereinlasskanal bzw. den Zusatzkanal steuerbar
sind.
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Das Sperrorgan ist als Drosselklappe
ausgeführt, über die
der Luftmassenstrom in den Verdichtereinlasskanal zur Einstellung
eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses
in den Zylindern der Brennkraftmaschine steuerbar ist. In Sperrposition der
Drosselklappe wird der Luftmassenstrom komplett in den Zusatzkanal
umgeleitet und trifft mit einem Drall auf das Verdichterrad auf.
In dieser Betriebsweise wird das Verdichterrad angetrieben und somit
im Turbinenbetrieb gefahren, bei dem der Luftmassenstrom nach dem
Passieren des Verdichterrades eine Entspannung mit einem Druckabfall
erfährt. Eine
genaue Regulierung des auf das Verdichterrad wirkenden Dralls ist
jedoch mit nur einem Sperrorgan außerhalb des Zusatzkanals nicht
möglich;
hierfür wäre ein zweites
Stellglied erforderlich, mit dem ein Drallgitter im Mündungsbereich
des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal in Höhe des Verdichterrades
veränderlich
einstellbar sein müsste,
wodurch jedoch der konstruktive Aufwand erheblich erhöht werden
würde.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen
gattungsmäßigen Verdichter
für eine
Brennkraftmaschine mit geringem konstruktiven Aufwand in der Weise
auszulegen, dass bei niedriger Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine
ein einstellbarer Turbinenbetrieb und bei höherer Last und Drehzahl ein
regulierbarer Verdichterbetrieb möglich ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter
genügt
ein einziges Stellglied, um in Abhängigkeit des aktuellen Last-
und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine sowohl das Sperrorgan
im Verdichtereinlasskanal als auch die Dralleinrichtung im Mündungsbereich
von Zusatzkanal in den Verdichtereinlasskanal zu verstellen. Die
Einstellung erfolgt dadurch, dass das Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal
in einer definierten Bewegungsphase die Dralleinrichtung im Mündungsbereich
von Zusatzkanal zum Verdichtereinlasskanal beaufschlagt, wodurch die
Stellbewegung des Sperrorgans auf die Dralleinrichtung übertragen
und diese verstellt wird. Das Sperrorgan übernimmt somit die zusätzliche
Funktion eines Stellgliedes für
die Dralleinrichtung. Auf ein weiteres Stellglied kann verzichtet
werden. Mit nur einer Stelleinrichtung können beim erfindungsgemäßen Verdichter
zwei separate Drosseleinrichtungen betätigt werden, was grundsätzlich dadurch
ermöglicht
wird, dass die Einstellung des Sperrorgans im Verdichtereinlasskanal
und die Einstellung der Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals
in unterschiedlichen Last- und Betriebszuständen erfolgen, denen unterschiedliche
Stellbewegungen des Sperrorgans zugeordnet werden. Die Einstellung
der Dralleinrichtung findet vorzugsweise bei niedrigen Lasten und
Drehzahlen der Brennkraftmaschine statt, bei denen im Ansaugkanal üblicherweise
ein Unterdruck herrschen muss, was durch einen sogenannten Kaltluftturbinenbetrieb
zu realisieren ist, bei dem die Verbrennungsluft zweckmäßig ausschließlich über den
Zusatzkanal geleitet wird und unter einem Drall auf das Verdichterrad
auftrifft, welches hierdurch eine Drehbeschleunigung erfährt. Bei
höheren
Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine dagegen ist das Sperrorgan
im Verdichtereinlasskanal mehr oder weniger weit geöffnet, so
dass die Verbrennungsluft unmittelbar axial durch den Verdichtereinlasskanal
dem Verdichterrad zugeführt wird,
das in dieser Betriebsweise von einem separaten Antrieb betätigt wird,
insbesondere von einer Abgasturbine, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine
angeordnet sein kann und von den unter Druck stehenden Abgasen der
Brennkraftmaschine betrieben wird. Gegebenenfalls kommt auch ein
von einer Abgasturbine unabhängiger
Antrieb in Betracht, beispielsweise ein separater Elektromotor oder
eine direkte Kopplung mit der Brennkraftmaschine.
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In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass
das Sperrorgan in Schließstellung
steht und den Verdichtereinlasskanal vorteilhaft vollständig absperrt,
sobald die Dralleinrichtung im Mündungsbereich
des Zusatzkanals vom Sperrorgan betätigt wird. In Öffnungsstellung
des Sperrorgans ist es dagegen nicht zwingend erforderlich, dass
die Dralleinrichtung in Stauposition steht, da aufgrund des größeren Querschnittes
und der axialen Ausrichtung auf das Verdichterrad des Verdichtereinlasskanals
bei geöffnetem
Sperrorgan ein wesentlich größerer Anteil
des Luftmassenstromes durch den Verdichtereinlasskanal im Vergleich
zum Zusatzkanal strömt.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist
die Dralleinrichtung im Mündungsbereich
des Zusatzkanals über
ein Federelement in eine ihrer Endstellungen kraftbeaufschlagt,
insbesondere in Richtung ihrer Öffnungsstellung,
so dass bei geöffnetem
Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal – in dieser Stellung bleibt
die Dralleinrichtung unbeaufschlagt vom Sperrorgan – auch die
Dralleinrichtung in ihrer Öffnungsposition
steht. Mit dem Schließen
des Sperrorgans und Abriegeln des Verdichtereinlasskanals gelangt das
Sperrorgan in Anschlagstellung zu der Dralleinrichtung und beginnt
bei weiterer Verstellung, die Dralleinrichtung gegen die Kraft des
Federelementes aus der Öffnungsposition
in Richtung Stauposition zu überführen. Bei
einer Verstellung des Drosselorgans in Gegenrichtung wird die Dralleinrichtung
durch die Federkraft selbsttätig
wieder aus der Stauposition in ihre Öffnungsposition überführt.
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Die Stellbewegung des Sperrorgans
erfolgt insbesondere in Achsrichtung des Verdichterrades bzw. des
Verdichtereinlass kanals. Dies wird zweckmäßig durch eine Ausführung des
Sperrorgans als axial verschieblicher Sperrstempel erreicht, der
mittels eines Stellglieds zwischen einer ersten axialen Endposition,
die der Öffnungsstellung
des Sperrorganes entspricht, einer Zwischenposition, die der Schließstellung
des Sperrorganes entspricht und in der der Sperrstempel in Anschlagposition
zur Dralleinrichtung steht, und einer zweiten axialen Endposition,
in welcher die Dralleinrichtung in ihrer Stauposition steht, zu
verstellen ist. Auch die Dralleinrichtung wird in dieser Ausführung zweckmäßig axial
zwischen ihrer Öffnungs-
und ihrer den Mündungsquerschnitt
reduzierenden Staustellung verschoben. Hierfür ist vorteilhaft ein der Dralleinrichtung
zugeordneter Axialschieber vorgesehen, der gehäusefest gelagert ist und in
Achsrichtung des Verdichterrades zu verschieben ist und von dem
Federelement beaufschlagt wird. In Stauposition überdeckt der Axialschieber
das Drallgitter, wobei gegebenenfalls ein Restspalt im Mündungsquerschnitt
geöffnet
bleiben kann.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Verdichter mit einem Verdichterrad, dem über einen
axialen Verdichtereinlasskanal und einen parallelen Zusatzkanal Verbrennungsluft
zuführbar
ist, dargestellt mit einem Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal
in Öffnungsposition
und einer ebenfalls in Öffnungsposition
stehenden Dralleinrichtung im Mündungsbereich
des Zusatzkanals,
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2 eine 1 entsprechende Darstellung,
jedoch mit dem Sperrorgan in Schließposition, in welcher das Sperrorgan
an einem Axialschieber der Dralleinrichtung anliegt, welcher ebenfalls
axial verschieblich gelagert ist und über den die Dralleinrichtung
im Mündungsbereich
des Zusatzkanals zwischen Öffnungsposition
und Stauposition zu verstellen ist,
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3 eine
den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung, jedoch mit axial
weiter verschobenem Sperrorgan, welches den Axialschieber in Stauposition überführt,
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4 ein
Schaubild mit dem Verlauf des wirksamen Strömungsquerschnitts im Verdichtereinlasskanal
und im Mündungsbereich
des Zusatzkanals in Abhängigkeit
der axialen Stellbewegung des Sperrorgans.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile
mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 dargestellte
Verdichter 1 wird insbesondere in Brennkraftmaschinen eingesetzt und
ist zweckmäßig Teil
eines Abgasturboladers, bei dem die im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine über eine
Welle 4 das Verdichterrad 2 im Verdichtergehäuse antreibt,
die drehbar in einem Verdichtereinlasskanal 5 gelagert
ist. Die aus einem vorgelagerten, im Verdichtergehäuse angeordneten
Luftsammelraum 6 über
eine Eintrittsöffnung 7 in
den axialen Verdichtereinlasskanal 5 gelangende Verbrennungsluft
wird von den rotierenden Verdichterradschaufeln 3 auf einen
erhöhten
Ladedruck verdichtet und radial in einen Diffusor 13 im Verdichtergehäuse abgeleitet, von
dem aus die komprimierte Verbrennungsluft üblicherweise zunächst in
einem Ladeluftkühler
gekühlt und
anschließend
unter Ladedruck in die Zylinder der Brennkraftmaschine geleitet
wird. Die Rotationsachse des Verdichterrades 2 ist mit
der Verdichterachse 11 identisch, die auch zugleich die
Längsachse
des Verdichtereinlasskanales 5 ist. Der vorgelagerte Luftsammelraum 6 ist
als Ringraum ausgebildet und weist gegenüber der Verdichterachse 11 einen
radialen Abstand auf. Die Eintrittsöffnung 7, welche Teil des
Verdichtereinlasskanales 5 ist und über die die Verbrennungsluft
aus dem Luftsammelraum 6 in Pfeilrichtung 8 in
den Verdichtereinlasskanal 5 strömt, ist halbaxial ausgerichtet
und schließt
mit der Verdichterachse 11 einen Winkel ein.
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Axial in Pfeilrichtung 10 verschieblich
ist in dem Verdichtereinlasskanal 5 ein Sperrorgan 9 angeordnet,
bei dessen axialer Bewegung der Querschnitt der Eintrittsöffnung 7 zwischen
der in 1 dargestellten Öffnungsstellung
und einer Schließstellung (2) zu verschieben ist, in
welcher die Eintrittsöffnung 7 vollständig abgesperrt
ist und ein Übertritt
von Verbrennungsluft aus dem Luftsammelraum 6 in den Verdichtereinlasskanal 5 unterbunden
ist. Bei der Überführung von
der Öffnungsposition
bis zum Erreichen der Schließposition
legt das Sperrorgan 9 einen axialen Stellweg s1 zurück. Das
Sperrorgan 9 wird mit Hilfe eines Stellgliedes 12 axial
verschoben.
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In Öffnungsstellung ist die Eintrittsöffnung 7 zwischen
der Außenkontur
des Sperrorganes 9 und einem Axialschieber 14 gebildet,
der ebenfalls in Achsrichtung verschoben werden kann und einen axial
verlaufenden, radial jedoch außerhalb
des Verdichtereinlasskanales 5 verlaufenden Zusatzkanal 15 gegenüber dem
Verdichtereinlasskanal abtrennt. Der Zusatzkanal 15 kommuniziert
einenends ebenfalls mit dem Luftsammelraum 6 und mündet anderenends über einen
Mündungsbereich 16 radial
in Höhe
des Verdichterrades 2 in den Verdichtereinlasskanal 5.
Die über
den Zusatzkanal 15 zugeführte Verbrennungsluft trifft
näherungsweise
radial auf die Verdichterradschaufeln
13 auf und beaufschlagt
diese mit einem beschleunigenden Drall. Zur Verbesserung der Drallwirkung
ist im Mündungsbereich 16 ein
Drallgitter 17 angeordnet, welches beispielsweise über den
Umfang des Drallgitters verteilte Leitschaufeln aufweist, die den
Strömungsverlauf
der auftreffenden Verbrennungsluft beeinflussen.
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Axialschieber 14 und Drallgitter 17 bilden
gemeinsam eine Dralleinrichtung, über die der Mündungsquerschnitt
des Mündungsbereiches 16 zwischen
der in 1 dargestellten Öffnungsposition und
einer Stauposition zu verstellen ist, in welcher der Mündungsquerschnitt
auf ein Minimum reduziert ist, gegebenenfalls auch vollständig abgesperrt
ist. Die Verstellung des Mündungsquerschnittes
erfolgt durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 14 in
Pfeilrichtung 18; der maximal mögliche Stellweg des Axialschiebers 14 bei
der Überführung zwischen dessen Öffnungsposition
und dessen Stauposition ist in 1 mit
s2 gekennzeichnet.
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Der Axialschieber 14 ist
am Verdichtergehäuse
verschieblich gelagert und wird von einem Federelement 19 in
seine Öffnungsstellung
beaufschlagt. Zur Überführung aus
der in 1 dargestellten Öffnungsstellung
in die Staustellung gemäß 3 wird der Axialschieber 14 entgegen
der Federkraft des Federelementes 19 verschoben; hierbei wird
das Drallgitter 17 in eine axiale Aufnahmeöffnung 20
im Axialschieber 14 eingeschoben.
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In 2 ist
das Sperrorgan 9 axial in seine Schließstellung verstellt, in welcher
die Eintrittsöffnung 7 des
Verdichtereinlasskanales 5 abgesperrt ist. Das Sperrorgan 9 ist
als Sperrstempel ausgebildet, wobei in der Sperrstellung die Außenkontur
des Sperrorganes die Außenkontur
des Axialschiebers 14 berührt, so dass die Eintrittsöffnung 7 geschlossen
ist.
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Der Axialschieber 14 befindet
sich in der in 2 dargestellten
Lage noch in seiner Öffnungsstellung
und ist noch nicht in Richtung seiner Staustellung verschoben. In
dieser Konfiguration nimmt der Verdichter die Funktion einer Kaltluftturbine
ein, da der über
den Zusatzkanal zuzuführende
Verbrennungsluftstrom aufgrund eines Druckgefälles das Verdichterrad antreibt
und stromab des Verdichterrades auf einen Unterdruck entspannt wird.
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Die Staustellung des Axialschiebers 14 ist
in 3 dargestellt. Das
Sperrorgan 9 ist nunmehr soweit in Richtung Verdichterrad 2 axial
verschoben, dass der von dem Sperrorgan beaufschlagte Axialschieber 14 gegen
die Kraft des Federelementes 19 in seine Stauposition verstellt
ist, in welcher der Querschnitt des Mündungsbereiches 16 auf
ein Minimum reduziert ist. Das Drallgitter 17 ist in Stauposition
beinahe vollständig
in der axialen Aufnahmeöffnung
20 im Axialschieber 14 aufgenommen. Durch den verbleibenden
Spalt im Mündungsbereich 16 kann
nur ein verhältnismäßig geringer
Luftmassenstrom hindurchströmen,
so dass das Verdichterrad 2 auch nur einen entsprechend
geringen Drehimpuls erfährt.
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Bei einer Verschiebung des Sperrorganes 9 in
Gegenrichtung – weg
vom Verdichterrad 2 – wird zunächst der
Axialschieber 14 unter dem Einfluss des Federelementes 19 aus
der Stauposition in seine Öffnungsposition
verschoben, wobei in dieser Phase die Eintrittsöffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal 5 noch
geschlossen bleibt. Nach dem Erreichen seiner Öffnungsposition, welche durch
einen Anschlag gesichert sein kann, wird bei einem weiteren Verschieben des
Sperrorganes 9 weg vom Verdichterrad 2 auch die
Eintrittsöffnung 7 wieder
geöffnet.
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In 4 ist
ein Schaubild mit dem Kurvenverlauf für die Querschnittsfläche A in
der Eintrittsöffnung
7 zum Verdich tereinlasskanal sowie im Mündungsbereich 16 des
Zusatzkanals in Abhängigkeit des
Stellweges s des Sperrorgans dargestellt. Eingetragen sind die maximalen
Stellwege s1 sowie s2 für das Sperrorgan
bzw. den Axialschieber und der dazugehörige Gesamtquerschnitt von
Eintrittsöffnung 7 einschließlich Mündungsbereich 16.
Für einen
Stellweg s = 0 soll die Eintrittsöffnung 7 vollständig abgesperrt
sein und der Mündungsbereich 16 bis
auf einen Restspalt geschlossen sein (Dralleinrichtung in Stauposition).
Dieser Restspalt ist in dem Schaubild für s = 0 mit einem minimalen
Querschnittswert A eingetragen. Mit ansteigendem Stellweg s wird
das Sperrorgan in Richtung Öffnungsstellung
verschoben, weg von dem Verdichterrad. Zunächst wird der Axialschieber
aus der Stauposition in die Öffnungsposition überführt, wodurch
der Querschnitt des Mündungsbereiches 16 vom
Minimum ausgehend bis zu einem ersten Maximum ansteigt, das bei
dem Stellweg s2 erreicht wird, welcher der Öffnungsstellung des
Axialschiebers entspricht.
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Im weiteren Verlauf wird bei weiterer
Verschiebung des Sperrorganes zusätzlich die Eintrittsöffnung 7
zum Verdichtereinlasskanal geöffnet,
bis nach dem Zurücklegen
des Stellwegs s1 die Eintrittsöffnung vollständig geöffnet ist
und der Querschnitt ein Maximum erreicht.
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Über
eine Verschiebung eines Anschlages 21, welcher die Öffnungsstellung
des Axialschiebers markiert, kann das Verhältnis der Querschnittsflächen von
Mündungsbereich
des Zusatzkanals zu Eintrittsöffnung
zum Verdichtereinlasskanal beeinflusst werden.