-
Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren
zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung
eines Abgasturboladers.
-
Ein
derartiger Abgasturbolader ist bereits aus dem Serienfahrzeugbau
bekannt und umfasst üblicherweise
einen in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine anordenbaren
Verdichter zum Vorverdichten eines Luftstroms, welcher durch den Ansaugtrakt
auf den Verdichter zu leitenden ist. Der Verdichter übernimmt
dabei das Ansaugen des Luftstroms und fördert den vorverdichteten Luftstrom weiter
zur Brennkraftmaschine. Die Antriebsleistung des Verdichters wird
durch eine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete
und über
eine Welle drehfest mit dem Verdichter gekoppelte Abgasturbine geliefert,
welche durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben wird,
wobei die Abgasturbine mit dem Verdichter mit Hilfe einer Welle
drehfest verbunden ist. Die drehfest verbundene Kombination des
Verdichters, der Abgasturbine und der Welle ist üblicherweise mit Laufzeug bezeichnet.
Der vom Verdichter vorverdichtete und aufgeheizte Luftstrom wird vor
dem Eintritt in die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Hilfe eines
Ladeluftkühlers
gekühlt,
um eine verbesserte Zylinderfüllung
zu erzielen.
-
Als
nachteilig an den bekannten Abgasturboladern ist dabei jedoch der
Umstand anzusehen, dass es aufgrund der Massenträgheit des Laugzeugs bei dynamischen
Lastwechselvorgängen
der Brennkraftmaschine, beispielsweise beim Wechsel vom Teillast-
in den Vollast-Betriebsmodus, zum sogenannten "Turboloch" kommt, da das Laufzeug und damit der
Verdichter erst wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt
werden muss, um den gewünschten
Ladedruck bereitstellen zu können.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader sowie ein
Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung eines Abgasturboladers
zu schaffen, welche ein verbessertes Ansprechverhalten einer Brennkraftmaschine
ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Abgasturbolader für
eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
sowie durch ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung
eines Abgasturboladers gemäß Patentanspruch
12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen des Abgasturboladers – soweit anwendbar – als vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen sind.
-
Erfindungsgemäß wird ein
verbessertes Ansprechverhalten einer Brennkraftmaschine dadurch ermöglicht,
dass dem Verdichter eine schaltbare Luftführungsvorrichtung vorgeordnet
ist, mittels welcher der Verdichter auf zumindest zwei unter schiedliche Weisen
mit dem Luftstrom anzuströmen
ist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Anströmbedingungen
des Verdichters mit Hilfe der Luftführungsvorrichtung variiert
werden können,
wodurch es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich ist, den Luftstrom beispielsweise
im Teillast- und im Vollast-Betriebsmodus jeweils unterschiedlich
auf einen Eintrittsbereich des Verdichters zu leiten. Die Möglichkeit
einer variablen Anströmung
des Verdichters erlaubt daher eine verbesserte Berücksichtigung
des jeweiligen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, woraus ein
entsprechend verbessertes Ansprechverhalten derselben resultiert.
Durch eine anpassbare Anströmung
des Verdichters kann dessen Drehzahl beispielsweise im Teillast-Betriebsmodus
angehoben werden, so dass sich beim dynamischen Lastwechsel vom
Teillast- in den Vollast-Betriebsmodus die zum Beschleunigen des
Verdichters auf die geforderte Nenndrehzahl benötigte Zeitspanne entsprechend verkürzt bzw.
die geforderte Nenndrehzahl bereits anliegt.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Luftführungsvorrichtung
zwischen einer Vor-Drallstellung,
im Folgenden als Wirbelstellung bezeichnet, in welcher dem Luftstrom
vor dem Anströmen
des Verdichters eine Drehimpulskomponente in Form einer Umfangskomponente
zu verleihen ist, und einer Leistungsstellung, in welcher der Verdichter
mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom anzuströmen ist,
zu schalten ist. In der Wirbelstellung kann somit die Drehzahl des
Verdichters beispielsweise unter Teillast durch Veränderung
der Anströmbedingungen erhöht werden,
ohne dass externe Energie – beispielsweise
mittels eines elektrischen Unterstutzers – eingebracht werden müsste. Der
Verdichter nimmt bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung
somit weniger Leistung auf, wodurch ein größerer Teil der von der Abgasturbine eingespeisten Leistung
zur Überwindung
von Lagerreibungskräften genutzt
und die Drehzahl des Verdichters entsprechend angehoben werden kann.
Im Idealfall entspricht die auf diese Weise erreichbare Drehzahl
der geforderten Nenndrehzahl, so dass ein zumindest annähernd "drehzahlstationärer" Betrieb des Verdichters
erreichbar ist. Umgekehrt kann ein Schalten der Luftführungsvorrichtung
in die Leistungsstellung dazu genutzt werden, den Verdichter mit
einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom anzuströmen, um
etwa im Vollast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine keine Leistungsminderung
zu erhalten.
-
Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass
bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung der dem Luftstrom
zu verleihende Drall in Drehrichtung des Verdichters gerichtet ist.
Somit ist eine Umlenkarbeit, welche von einem Verdichterrad des
Verdichters aufzubringen ist verringert, wodurch gemäß der bekannten
Eulergleichung die aufgenommene Verdichterarbeit herabgesetzt werden
kann. Somit ergibt sich bei entsprechender Leistung der Abgasturbine
eine erhöhte
Abgasturboladerdrehzahl.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Luftführungsvorrichtung
zumindest einen Vor-Drallkanal, im Weiteren als Wirbelkanal bezeichnet,
und einen Leistungskanal umfasst, wobei der Luftstrom in der Wirbelstellung
zumindest überwiegend
durch den Wirbelkanal und in der Leistungsstellung zumindest überwiegend
durch den Leistungskanal zu leiten ist. Dies stellt eine konstruktiv
einfache und kostengünstige
Möglichkeit
dar, den Verdichter auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit
dem Luftstrom anzuströmen.
-
Ein
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Luftführungsvorrichtung
eine Schaltklappe umfasst, mittels welcher ein Anteil des durch
den Wirbelkanal und/oder durch den Leistungskanal zu leitenden Luftstroms
einzustellen ist. Eine derartige Schaltklappe erlaubt ein schnelles
Schalten der Luftführungsvorrichtung
und kann einfach und bauraumsparend in die Luftführungsvorrichtung integriert
werden. Der mittels der Schaltklappe einstellbare Anteil des Luftstroms
ist dabei vorzugsweise ein Massenanteil. Dabei kann es auch vorgesehen
sein, dass mittels der Schaltklappe der gesamte Luftstrom entweder durch
den Wirbelkanal oder durch den Leistungskanal zu leiten ist. Die
Schaltklappe sollte dabei vorteilhafterweise Schaltzeiten unter
100 ms aufweisen, um ein schnelles Ansprechen auf Lastwechselvorgänge der
Brennkraftmaschine sicherzustellen. Ein weiterer Vorteil der Schaltklappe
besteht darin, dass der angesaugte Luftstrom gezielt angedrosselt
werden kann, wodurch eine Steuerung von Abgasrückführungsraten der Brennkraftmaschine
ermöglicht sind,
wobei eine Reduzierung der Abgasturboladerdrehzahl weitestgehend
vermeidbar ist.
-
Des
Weiteren kann durch gezielte Androsselung mit Hilfe der Schaltklappe
der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert werden, wodurch die
Temperatur der Abgase steigt. Dieser Effekt kann dann beispielsweise
zur Verbesserung der Emissionswerte beim Kaltstart oder bei als
Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen zur Regeneration
eines Dieselpartikelfilters bzw. eines NOX-Speicherkatalysators
verwendet werden.
-
Damit
der Verdichter beim Bewegen der Schaltklappe nicht durch Druckimpulse
geschädigt wird,
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass
die Schaltklappe radial gegenüber dem
Leistungskanal verschwenkbar ist. Durch ein radiales Einschwenken
der Schaltklappe wird sichergestellt, dass die in Richtung des Verdichters
bewegte Fläche
der Schaltklappe möglichst
klein ist und eine entsprechend geringe Druckanregung verursacht.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Luftführungsvorrichtung
ein Luftleitelement, insbesondere ein Leitgitter, umfasst, mittels
welchem eine Strömungsrichtung
des Luftstroms umzulenken und/oder dem Luftstrom vor dem Anströmen des
Verdichters die Drehimpulskomponente zu verleihen ist. Mit Hilfe
eines derartigen Luftleitelements kann die Strömungsrichtung des Luftstroms
besonders einfach und variabel umgelenkt und beispielsweise mit
der Drehimpulskomponente versehen werden. Je nach Auslegung kann
das Luftleitelement zu diesem Zweck eine oder mehrere Leitschaufeln
mit variierbaren Schaufelprofilierungen bzw. Schaufelwinkeln oder
unterschiedliche Durchströmungsquerschnitte
aufweisen und ist somit optimal an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten
anpassbar.
-
Dabei
kann die Luftführungsvorrichtung
besonders bauraumsparend ausgebildet werden, indem der Wirbelkanal
an einem Außenumfang
des Leistungskanals angeordnet ist.
-
In
weiterer Ausgestaltung hat es sich zudem als vorteilhaft gezeigt,
dass der Wirbelkanal zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet
ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, den Wirbelkanal
als Strömungsvolute
ausbilden und zur gezielten Umlenkung des Luftstroms verwenden zu
können.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Luftführungsvorrichtung
mechanisch, insbesondere mittels einer Über- und/oder Unterdruckdose, und/oder
elektronisch zu schalten ist. Dies erlaubt eine besonders variable
Ausgestaltung des Abgasturboladers und eine einfache Anpassbarkeit
an unterschiedliche konstruktive Gegebenheiten, Ausstattungslinien
oder dergleichen.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Luftführungsvorrichtung ein Gehäuse zugeordnet ist, über welches
die Luftführungsvorrichtung
mit dem Abgasturbolader und/oder dem Ansaugtrakt koppelbar ist.
Obwohl die Luftführungsvorrichtung grundsätzlich auch
in ein ohnehin vorhandenes Verdichtergehäuse des Abgasturboladers integriert
sein kann, bietet ein derartiges Gehäuse den Vorteil, dass die Luftführungsvorrichtung
als selbständiges
Bauteil ausgebildet sein und somit einfach mit bereits vorhandenen
Abgasturboladern gekoppelt bzw. als Nachrüstlösung angeboten werden kann.
Weiterhin wird aufgrund der variablen Ausgestaltungsmöglichkeiten
der Luftführungsvorrichtung
eine Senkung der Lagerhaltungskosten sowie der Wartungs- und Reparaturkosten
erreicht.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten
einer Luftführungsvorrichtung,
welche einem Verdichter eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, vorgeordnet
ist, wobei der Verdichter zum Vorverdichten eines durch den Ansaugtrakt
auf den Verdichter zu leitenden Luftstroms im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
angeordnet und mittels der Luftführungsvorrichtung
auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist,
wobei die Schritte a) Ermitteln eines Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und
b) Schalten der Luftführungsvorrichtung
in eine Wirbelstellung, in welcher dem Luftstrom vor dem Anströmen des
Verdichters eine Drehimpulskomponente verliehen wird, falls die Brennkraftmaschine
gemäß Schritt
a) in einem Teillast-Betriebsmodus
betrieben wird oder Schalten der Luftführungsvorrichtung in eine Leistungsstellung,
in welcher der Verdichter mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien
Luftstrom angeströmt
wird, falls die Brennkraftmaschine gemäß Schritt a) in einem Vollast-Betriebsmodus betrieben
wird, durchgeführt
werden. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der Verdichter des
Abgasturboladers im Teillast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine
mit einem drallbehafteten und im Vollast-Betriebsmodus mit einem zumindest im
Wesentlichen drallfreien Luftstrom angeströmt wird. Auf diese Weise wird
die Drehzahl des Verdichters im Teillast-Betriebsmodus ohne die
Einbringung von externer Energie energetisch günstig angehoben und muss daher
beim Lastwechsel in den Vollast-Betriebsmodus
nicht wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt werden.
Dies ermöglicht
aufgrund des zumindest annähernd
drehzahlstationären
Betriebs des Verdichters ein deutlich verbessertes Ansprechverhalten
der Brennkraftmaschine und vermeidet das Entstehen des sogenannten Turbolochs.
Weitere sich ergebende Vorteile sind bereits den vorhergehenden
Beschreibungen zu entnehmen.
-
Dabei
hat es sich insbesondere bei als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschinen
als vorteilhaft gezeigt, dass die Luftführungsvorrichtung in die Wirbelstellung
geschaltet wird, falls die Brennkraftmaschine gemäß Schritt
a) in einen gestoppten Betriebsmodus geschaltet wird, da auf diese
Weise der beim Abschalten von Dieselmotoren übliche Abschaltschlag zuverlässig unterdrückt wird.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einem
Abgasturbolader, welchem in einem Ansaugtrakt eine Luftführungsvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel vorgeordnet
ist, wobei die Luftführüngsvorrichtung
in eine Wirbelstellung geschaltet ist;
-
2 eine
schematische Prinzipdarstellung der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine, wobei die Luftführungsvorrichtung in eine Leistungsstellung geschaltet
ist;
-
3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 und 2 gezeigten
Luftführungsvorrichtung;
-
4 eine
weitere perspektivische Explosionsdarstellung der Luftführungsvorrichtung;
-
5 eine
perspektivische Seitenansicht der Luftführungsvorrichtung;
-
6 eine
perspektivische Rückansicht
der Luftführungsvorrichtung;
-
7 eine
perspektivische Frontalansicht der Luftführungsvorrichtung ohne Oberschale;
-
8 ein
Diagramm mit mehreren Vergleichsmessungen von Verdichterkennfeldern
des Abgasturboladers mit und ohne die Luftführungsvorrichtung; und
-
9 ein
Diagramm mit mehreren Motorprüfstandmessergebnissen
des Abgasturboladers mit und ohne die Luftführungsvorrichtung.
-
1 zeigt
eine schematische Prinzipdarstellung einer im vorliegenden Ausführungsbeispiel als
vierzylindriger Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 10 mit
einem Abgasturbolader 12, welcher einen Verdichter 13 in
einem Ansaugtrakt 14 sowie eine über eine Welle 16 drehfest
mit dem Verdichter 13 gekoppelte Abgasturbine 18 in
einem Abgastrakt 20 umfasst. Alternativ kann auch vorgesehen
sein, dass die Brennkraftmaschine 10 als Ottomotor mit
geschichteter Direkteinspritzung ausgebildet ist. Die durch den
Abgastrakt 20 geführten
Abgase der Brennkraftmaschine 10 treiben über die
Abgasturbine 18 den Verdichter 13 an, welcher
dann seinerseits den durch den Ansaugtrakt 14 geleiteten Luftstrom
vorverdichtet. Dem Verdichter 13 des Abgasturboladers 12 ist
dabei im Ansaugtrakt 14 eine in einem Gehäuse 19 aufgenommene
Luftführungsvorrichtung 21 vorgelagert,
mittels welcher der Verdichter 13 auf zumindest zwei unterschiedliche
Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen
ist und deren Funktionsweise im Folgenden näher erläutert werden wird. Nach dem
Vorverdichten mittels des Verdichters 13 wird der Luftstrom
schließlich
durch einen an sich bekannten Ladeluftkühler 26 geleitet,
mittels welchem die durch den Verdichter 13 aufgeheizte,
vorverdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine 10 abgekühlt wird.
Die Pfeile Ia und Ib kennzeichnen dabei die Strömungsrichtung des Luftstroms
im Ansaugtrakt 14, die Pfeile Ic und Id die Strömungsrichtung der
durch die Verbrennung innerhalb der Brennkraftmaschine 10 entstehenden
Abgase im Abgastrakt 20.
-
Der
in den Ansaugtrakt 14 eingesaugte Luftstrom wird zunächst mittels
eines Luftfilters 22 gereinigt. Anschließend wird über einen
dem Luftfilter 22 nachgeordneten Luftmassenmesser 24,
welcher vorliegend als Heißfilmluftmassenmesser
ausgebildet ist, die Masse des Luftstroms zur Steuerung des späteren Verbrennungsprozesses
ermittelt. Der Luftmassenmesser 24 kann zudem gegebenenfalls
wichtige Stellgrößen für ein Abgasrückführungssystem
(nicht abgebildet) liefern. Die dem Verdichter 13 des Abgasturboladers 12 vorgelagerte
Luftführungsvorrichtung 21 umfasst
einen Wirbelkanal 28, einen Leistungskanal 30 sowie
eine verschwenkbare Schaltklappe 32, mittels welcher der
Luftstrom zwischen dem Wirbelkanal 28 und dem Leistungskanal 30 aufteilbar
ist. Die Schaltklappe 32 ist dabei möglichst nahe am Verdichter 13 angeordnet,
um das Volumen zwischen dem Verdichter 13 und der Schaltklappe 32 und
damit das Volumen, innerhalb welchem sich eine Drehimpulskomponente
des Luftstroms unerwünscht
abschwächen
könnte,
möglichst
gering zu halten. Die Schaltklappe 32 verschließt in der
gezeigten Wirbelstellung der Luftführungsvorrichtung 21 den
Leistungskanal 30 vollständig, so dass der Luftstrom
ausschließlich
gemäß Pfeil
W durch den Wirbelkanal 28 geleitet wird. Alternativ kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Teil des Luftstroms zusätzlich gemäß Pfeil
L durch den Leistungskanal 30 geleitet wird. Durch den
Wirbelkanal 28 wird der Luftstrom gleichmäßig auf
ein Luftleitelement 34 verteilt, welches am Ende des Wirbelkanals 28 angeordnet
ist und aus mehreren, auf einem Kreisring 36 aufgebrachten
Leitschaufeln 38 besteht (s. 3). Durch die
Leitschaufeln 38 wird dem Luftstrom ein Drall in Drehrichtung
eines nicht näher
dargestellten Verdichterrades des Verdichters 13 verliehen,
ein sogenannter Mitdrall. Mit anderen Worten wird ein drallbehafteter
Luftstrom erzeugt, mittels welchem der Verdichter 13 mit
einem starken Mitdrall anzuströmen
ist, so dass eine aerodynamische Entlastung des Verdichters 13 herbeigeführt wird
und die Drehzahl des Verdichters 13 entsprechend erhöht wird.
Dadurch muss der Verdichter 13 beim Lastwechsel in den
Vollast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (s. 2)
nicht erst wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt werden,
so dass ein schnelles Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 10 gewährleistet
ist. Eine besonders große
Drehzahlsteigerung kann dadurch erzielt werden, dass dem Verdichter 13 mittels
des Luftstroms ein derart starker Mitdrall aufgeprägt wird,
dass der Verdichter 13 im Teillast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 als
sogenannte Kaltluftturbine bzw. Impulsturbine arbeitet.
-
2 zeigt
eine schematische Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine 10 gemäß 1, wobei
die Luftführungsvorrichtung 21 in
eine Leistungsstellung geschaltet ist, in welcher die Schaltklappe 32 sowohl
den Wirbelkanal 28 als auch den Leistungskanal 30 vollständig freigibt.
Der Schaltvorgang zwischen der Wirbel- und der Leistungsstellung erfolgt
dabei beim Lastwechsel der Brennkraftmaschine 10 zwischen
dem Teillast- und dem Vollast-Betriebsmodus.
Da der Verdichter 13 im Vollast-Betriebsmodus zur Vermeidung
einer Leistungsminderung der Brennkraftmaschine 10 mit
möglichst drallfreier
Luftströmung
angeströmt
werden muss, wird zumindest der überwiegende
Anteil der Luftströmung
in der Leistungsstellung gemäß Pfeil
L durch den Leistungskanal 30 geleitet und strömt den Verdichter 13 drallfrei
bzw. makroskopisch betrachtet ohne eine parallel zu einem Drehimpuls
des Verdichter 13 angeordnete Drehimpulskomponente an.
-
3 zeigt
eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 und 2 gezeigten
Luftführungsvorrichtung 21.
Das mehrteilige Gehäuse 19 der
Luftführungsvorrichtung 21,
welches vorliegend aus Kunststoff gefertigt ist, allerdings auch
aus anderen Materialen hergestellt sein kann, umfasst eine mit dem
Ansaugtrakt 14 koppelbare Oberschale 40, welche
eine korrespondierend mit einem Anschluss des Ansaugtrakts 14 ausgebildete
Flanschstelle aufweist. Weiterhin erkennbar ist die an einer Mittelschale 41 gehaltene
Schaltklappe 32, welche über eine zugeordnete Unterdruckdose 44 um
die Achse III verschwenkt werden kann und in der gezeigten Leistungsstellung
sowohl den Wirbelkanal 28 als auch den Leistungskanal 30 freigibt.
Zur Abdichtung des Leistungskanals 30 in der Wirbelstellung
ist eine teflonbeschichtete Dichtscheibe 42 außerhalb
des Querschnitts des Leistungskanals 30 angeordnet, gegen
welche die mit einem gewissen Lagerspiel gelagerte Schaltklappe 32 in
der Wirbelstellung aufgrund des permanent vorherrschenden Unterdrucks gezogen
wird. Anstelle der gezeigten Unterdruckdose 44 können auch Überdruckdosen
oder elektrische Aktuatoren vorgesehen sein, welche beispielsweise über ein
Motorsteuergerät
(nicht abgebildet) der Brennkraftmaschine 10 angesteuert
werden können. Auf
der dem Verdichter 13 zugewandten Seite des Gehäuses 19
sind schließlich
eine Unterschale 46 mit einer mit einem Gehäuse des
Verdichters 13 korrespondierenden Flanschgeometrie sowie
das bereits beschriebene Leitelement 34 erkennbar. Zur
Abdichtung der Luftführungsvorrichtung 21 gegenüber dem
Gehäuse
des Verdichters 13 ist schließlich ein Dichtring 48 vorgesehen.
Die Anbindung der Oberschale 40 an den Ansaugtrakt 14 bzw.
der Unterschale 46 an den Abgasturbolader 12 kann
dabei mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Kopplungsmitteln wie Bajonettverschlüssen, Schlauchschellen, Henn-Kupplungen
und dergleichen erfolgen.
-
4 zeigt
eine weitere perspektivische Explosionsdarstellung der Luftführungsvorrichtung 21. Dabei
ist insbesondere der spiralförmig
am Außenumfang
des Leistungskanals 30 angeordnete Wirbelkanal 28 mit
seinem volutenartigen Endbereich erkennbar, mittels welchem der
Luftstrom gleichmäßig über das
Leitelement 34 verteilt und mit einem Drall bzw. einer
Drehimpulskomponente versehen werden kann. Der Wirbelkanal 28 bietet
aufgrund der Umlenkung und der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms
zudem den Vorteil, dass die Luftführungsvorrichtung 21 auch
zur Abscheidung von Partikeln oder Wasser verwendet werden kann,
was insbesondere bei Brennkraftmaschinen 10 mit Niederdruck-Abgasreinigungssystemen
(nicht abgebildet) erforderlich ist. Die gezeigte Luftführungsvorrichtung 21 ermöglicht damit
erhebliche Kostensenkungen aufgrund der vielfältigen Zusatzverwendungsmöglichkeiten.
-
5 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht der Luftführungsvorrichtung 21,
wobei Pfeil V die Strömungsrichtung
des Luftstroms innerhalb des Ansaugtrakts 14 kennzeichnet.
-
6 zeigt
eine perspektivische Rückansicht
der Luftführungsvorrichtung 21,
in welcher vor allem die mit der Schaltklappe 32 gekoppelte
Unterdruckdose 44 sowie das innerhalb der Unterschale 46 angeordnete
Leitelement 34 mit seinen winklig angeordneten Leitschaufeln 38 erkennbar
sind.
-
7 zeigt
eine perspektivische Frontalansicht der Luftführungsvorrichtung 21,
wobei aus Gründen
der Übersichtlichkeit
die Oberschale 40 nicht dargestellt ist. Dabei sind insbesondere
der Leistungskanal 30 und der an dessen Außenumfang angeordnete
Wirbelkanal 28 erkennbar. In der gezeigten Leistungsstellung
sind sowohl der Wirbelkanal 28 als auch der Leistungskanal 30 freigegeben, so
dass zumindest ein überwiegender
Anteil des Luftstroms drallfrei durch den Leistungskanal 30 direkt auf
den Verdichter 13 geleitet wird. Beim Schalten der Luftführungsvorrichtung 21 in
die Leistungsstellung wird die Schaltklappe 32 gemäß Pfeil
VII radial um die Achse III verschwenkt und verschließt dadurch
den Leistungskanal 30 vollständig, so dass der angesaugte
Luftstrom nur durch den Wirbelkanal 28 geleitet und mittels
des Luftleitelements 34 mit einem Drall versehen wird.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Wirbelkanal 28 in
der Leistungsstellung teilweise oder vollständig verschlossen wird. Im
Gegensatz zu einer als Drosselklappe ausgebildeten Schaltklappe 32 wird
aufgrund der geringen bewegten Schaltklappenfläche beim radialen Einschwenken
auf den Leistungskanal 30 eine vergleichsweise geringe
Druckanregung verursacht und somit der Verdichter 13 vor
Beschädigungen
geschützt.
Die Schaltzeit der Schaltklappe 32 sollte dabei vorteilhafterweise
unter 100 ms liegen.
-
8 zeigt
ein Diagramm mit mehreren Vergleichsmessungen von Verdichterkennfeldern
des Abgasturboladers 12 mit und ohne Luftführungsvorrichtung 21,
wobei auf der Abszisse der reduzierte Luftmassenstrom in den Verdichter 13 und
auf der Ordinate das Verhältnis
zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck am Verdichter 13 aufgetragen
sind. Die Verdichterkennfelder, über
welche eine Charakterisierung des Abgasturboladers 12 vorgenommen werden
kann, zeigen dabei die Betriebsgrenzen des Verdichters 13 auf,
welche durch die unterschiedlichen Verdichterdrehzahlen nverd1–5, die Pumpgrenze 50 und die Stopfgrenze 52 sichtbar
sind. Die Pumpgrenze 50 markiert dabei eine Grenze, an
welche sich hin zu kleineren Luftmassenströmen ein zu vermeidender Bereich
mit instabilen Strömungsverhältnissen
anschließt
und tritt bei geringen Luftmassenströmungen bzw. bei mittleren bis
hohen Druckverhältnissen
auf. Damit beschränkt
die Pumpgrenze 50 insbesondere bei niedrigen Drehzahlen
und hohen Lasten den Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10.
Dies hat neben akustischen Nachteilen vor allem eine Anfahrschwäche des
zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Folge. Die Pumpgrenze 50a markiert
dabei die Betriebsgrenzen des Abgasturboladers 12 ohne die
vorgeordnete Luftführungsvorrichtung 21.
Ist dem Abgasturbolader 12 hingegen die Luftführungsvorrichtung 21 – wie beispielsweise
in 1 gezeigt – vorgeordnet,
kann die Pumpgrenze 50 durch drallbehaftetes Anströmen des
Verdichters 13 deutlich zur Pumpgrenze 50b hin
verschoben werden, so dass der Abgasturbolader 12 der Brennkraftmaschine 10 bereits
bei geringeren Luftmassendurchsätzen
zu einem erhöhten
Ladedruck und damit einem verbesserten Ansprechverhalten verhilft.
Die Messungen wurden dabei mit drei unterschiedlichen Luftleitelementen 34a–c durchgeführt, welche
jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Leitschaufeln 38 mit
unterschiedlichen Schaufelgeometrien aufwiesen, woraus bei in die
Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung 21 unterschiedlich
starke Drallanströmungen
des Verdichters 13 und somit unterschiedliche hohe Drehzahlsteigerungen
resultierten.
-
9 zeigt
ein Diagramm mit mehreren Motorprüfstandmessergebnissen des Abgasturboladers 12 mit
und ohne die Luftführungsvorrichtung 21,
wobei die Luftführungsvorrichtung 21 wiederum
mit den drei unterschiedlichen Luftleitelementen 34a–c versehen
wurde. Im Diagramm sind dabei auf der Abszisse der Mitteldruck und
auf der Ordinate die Drehzahl des Verdichters 13 aufgetragen.
Die zugeordnete Brennkraftmaschine 10 wurde während den
Messungen mit einer konstanten Drehzahl von nMot = 1400
min–1 betrieben.
Die Verwendung der mit dem Luftleitelement 34b versehenen Luftleitvorrichtung 21 führte dabei
beispielsweise bei einem Mitteldruck von etwa 1,0 bar zu einer Drehzahlsteigerung
des Verdichters 13 um 63%.