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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter für die
Aufladung einer Brennkraftmaschine mit einem, einen Diffusorkanal
aufweisenden Verdichtergehäuse sowie einem in einem Einlasskanal des
Verdichtergehäuses drehbar gelagerten Verdichterrad und
in einer Medienströmung stromabwärts des Verdichterrads
angeordneten Leitschaufeln, die mittels einer Einrichtung aus der
Medienströmung herausführbar sind.
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Ein
gattungsgemäßer Verdichter kann beispielsweise
der Verdichter eines Abgasturboladers einer nach dem Otto-Verfahren
arbeitenden Brennkraftmaschine sein. Ein solcher Abgasturbolader setzt
sich aus einer von den Abgasen der Brennkraftmaschine angetriebenen
Turbine und dem Verdichter zusammen, der zur Druckbeaufschlagung
der der Brennkraftmaschine zugeführten Ansaugluft vorgesehen
ist. Damit soll die Nennleistung der Brennkraftmaschine angehoben
werden, die Brennkraftmaschine soll bei niedrigen Drehzahlen ein
hohes Drehmoment bereitstellen, die Emissionen sollen verringert werden
und der Kraftstoffverbrauch soll verringert werden.
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Bei
der Auslegung des Verdichters ist darauf zu achten, die Pumpgrenze
im Verdichterkennfeld nach links zu verschieben, um eine Vergrößerung
der Kennfeldbreite zu erreichen und dafür zu sorgen, dass
der Verdichter während des Betriebs der Brennkraftmaschine
nicht in den Bereich der Pumpgrenze gelangt. Zudem soll der Verdichter
mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad arbeiten.
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Gattungsgemäße
Verdichter besitzen einen Diffusorkanal, der die Aufgabe hat, die
am Austritt aus dem Laufrad noch vorhandene kinetische Energie möglichst
verlustfrei in statische Druckenergie umzusetzen. Um nun ein erhöhtes
Druckverhältnis bei verbessertem Gesamtwirkungsgrad des
Verdichters zu erreichen, ist es bereits bekannt geworden, eine
so genannte Nachbeschaufelung des Verdichterdiffusors auszuführen,
um ihn an den jeweiligen Betriebspunkt anzupassen.
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Wird
nun diese Nachbeschaufelung, die auch als Nachleitgitter bekannt
ist, verstellbar ausgeführt, so kann auch eine Verbreiterung
des Verdichterkennfeldes hinsichtlich der Pumpgrenze erreicht werden.
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Anhand
der
DE 23 54 821 A1 ist
eine Turbine bekannt geworden, die einen aus dem Einlass der Turbine
heraus bewegbaren Leitapparat aufweist.
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Anhand
der
DE 31 51 414 A1 ist
eine Radialturbine bekannt geworden mit einem bewegbaren Verstellapparat,
bei dem ein Leitgitter in den Ringraum der Turbine eingefahren und
aus diesem herausgezogen werden kann.
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Anhand
der
DE 24 28 969 A1 ist
ein Auslassdiffusor für einen Kreiselverdichter bekannt
geworden, bei dem eine Einstellung der Strömungskanäle im
Diffusor möglich ist. Damit kann die Einlassgeometrie der
Strömungskanäle zwischen den Diffusorleitschaufeln
verändert werden.
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Anhand
der
DE 35 42 762 C2 ist
ein Diffusor bekannt geworden, der einen verstellbaren Leitapparat
besitzt, wobei zu diesem Zweck in den Leitschaufeln des Diffusors
Bypasskanäle ausgebildet sind, die geöffnet und
verschlossen werden können.
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Anhand
der
DE 10 2004
035 044 A1 ist ein Verdichter in einem Abgasturbolader
für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, der einen
verstellbaren Leitapparat besitzt, der im Zulauf zum Verdichterrad
angeordnet ist und bei dem das Verdichterrad und ein Vorsatzläuferrad
drehfest miteinander verbunden werden können und der Strömungsweg
des Mediums über den Leitapparat zur Anströmung
des Verdichterrads verändert werden kann.
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Anhand
der
DE 199 56 896
C1 schließlich ist ein Abgasturbolader bekannt
geworden, der einen Radialverdichter besitzt, in dessen Diffusorkanal
Leitschaufeln eingebracht werden können, die axial verschiebbar
im Gehäuse des Radialverdichters geführt sind
und quer zum Förderstrom des Laufrads verstellt werden
können. Die Verstellung der Leitschaufeln ist dabei so
vorgesehen, dass mittels eines von einer Stellvorrichtung betätigten
Gestänges die Leitschaufeln in den Diffusorkanal hinein
und aus diesem herausbewegt werden können. Die Stellvorrichtung
wird dabei mittels Druckluft beaufschlagt und die Bewegungsrichtung
der Leitschaufeln verläuft parallel zu einer Welle des
Laufzeugs, die die Turbine mit dem Verdichter kraftschlüssig
koppelt.
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Es
bedeutet dies mit anderen Worten, dass die Verstellkinematik mit
dem Gestänge im Bereich des Laufzeugs beziehungsweise Lagerstuhls
angeordnet ist, also einem konstruktiv sehr sensiblen Bereich des
Abgasturboladers, da das Laufzeug bekannter und bewährter
Turboladerkonstruktionen nicht verändert werden soll. Soll
dies bei dem bekannten Abgasturbolader erreicht werden, so führt dies
zwangsläufig dazu, dass ein Abgasturbolader mit großen
Abmessungen erforderlich ist, der wiederum großen Platzbedarf
hat und daher diese bekannte Konfiguration nur im Nutzfahrzeugbereich
eingesetzt werden kann und für die Verwendung im Bereich
von Personenkraftwagen mit engen Platzverhältnissen im
Motorraum nicht geeignet ist.
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Anhand
der Veröffentlichung „Variable Geometry
Diffuser Turbocharger Compressor for Passenger Verhicles",
ISSN 0148-7191, 2003 SAE World Congress, Michigan, March 3–6,
2003 von Hiroshi Tange et al. ist ein Verdichter mit aus
dem Dif fusor heraus bewegbaren Leitschaufeln bekannt geworden, wobei
zur Bewegung der Leitschaufeln eine pneumatisch betätigte
Ringmembran vorgesehen ist, die an der Laufzeugseite des Verdichters
angeordnet ist, also wiederum in einem das Laufzeug umgebenden Bereich,
so dass zur Anordnung der Ringmembran konstruktive Modifikationen
am Laufzeug erforderlich sind.
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Werden
bekannte Radialverdichter im Ansaugweg einer nach dem Otto-Verfahren
arbeitenden Brennkraftmaschine angeordnet, die Motordrehzahlen von
beispielsweise bis 7.200 Umdrehungen pro Minute und mehr erreicht,
so kann mit den bekannten Radialverdichtern mit aus dem Diffusor
heraus bewegbarer Nachbeschaufelung die Pumpgrenze im Verdichterkennfeld
in Richtung nach links verlagert werden, diese besitzen aber alle
den Nachteil, dass die Verstellkinematik auf der Laufzeugseite angeordnet
ist und somit an bekannten und bewährten Verdichterkonstruktionen
Modifikationen mit erheblichen konstruktiven Aufwand nötig
werden.
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Ausgehend
hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde,
einen Verdichter für die Aufladung einer Brennkraftmaschine
bereitzustellen, der ein deutlich verbreitertes Verdichterkennfeld
besitzt und bei dem neben der Verschiebung der Pumpgrenze auch eine
Verschiebung der Stopfgrenze des Verdichters möglich ist,
um somit das Problem eines starken Kennfeldeinbruchs an der Stopfgrenze
des Verdichters zu verringern. Darüber hinaus soll der
erfindungsgemäße Verdichter einen kompakten Aufbau
aufweisen und das Problem des abmessungsbedingt großen
Platzbedarfs des bekannten Abgasturboladers mit herausführbarer Nachbeschaufelung
vermeiden.
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Die
Erfindung weist nun zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung sieht nun einen Verdichter vor für die Aufladung
einer Brennkraftmaschine mit einem, einen Diffusorkanal aufweisenden
Verdichtergehäuse sowie einem in einem Einlasskanal des
Verdichtergehäuses drehbar gelagerten Verdich terrad und
in einer Medienströmung stromabwärts des Verdichterrads
angeordneten Leitschaufeln, wobei der Verdichter eine mit den Leitschaufeln
funktional gekoppelte Einrichtung aufweist, mittels der die Leitschaufeln
aus der Medienströmung herausführbar sind und
diese Einrichtung ein Ringkolben ist, der in dem Verdichtergehäuse
axial verlagerbar angeordnet ist und die Leitschaufeln an dem Ringkolben
nach außen gerichtet angeordnet sind und sich zumindest teilweise
in den Diffusorkanal erstrecken.
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Es
bedeutet dies mit anderen Worten, dass die stromabwärts
des Verdichterrads vorgesehenen Leitschaufeln, die eine Nachbeschaufelung
oder Nachleitgitter ausbilden, im Gegensatz zu bekannten Leitschaufeln,
die lediglich winkeleinstellbar vorgesehen sind, so dass der Einströmwinkel
in den Strömungskanal zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln
verändert werden kann, mittels des Ringkolbens vollständig
aus dem Diffusorkanal entfernt werden können.
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Mit
der Anordnung des Ringkolbens in dem Verdichtergehäuse
derart, dass dieser innerhalb des Verdichtergehäuses axial
verlagerbar angeordnet ist, wird erreicht, dass sich die Verstellkinematik
für die Leitschaufeln innerhalb der Außenabmessungen
des Verdichters angeordnet befindet und daher ein ausgesprochen
kompakter Aufbau ermöglicht wird und eine Kraftbeaufschlagung
der Leitschaufeln zu ihrer axialen Verstellung von außerhalb
des Verdichtergehäuses nicht erforderlich ist. Damit befindet
sich der Verstellapparat für die Leitschaufeln des Diffusors
innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnet und Modifikationen
am Laufzeug sind nicht erforderlich.
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Auch
ist es nicht erforderlich, konstruktive Modifikationen in der Außenumgebung
des Laufzeugs vorzunehmen, so dass mit dem erfindungsgemäßen
Verdichter ein Abgasturbolader geschaffen werden kann, der sich
aus einer bekannten Turbine und einem bekannten und bewährten
Laufzeug zusammensetzt, die mit dem erfindungsgemäßen
Verdichter zur Bildung eines Abgasturboladers verbunden werden,
der im Vergleich zu bekannten Abgasturboladern ein deutlich verbreitertes
Kennfeld besitzt.
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Dabei
wird die Verbreiterung des Kennfelds dadurch erreicht, dass ein
entdrosselter Verdichter verwendet wird, der eine entsprechend dem
Luftbedarf der Brennkraftmaschine weit nach rechts verschobene Stopfgrenze
besitzt. Dadurch wird erreicht, dass ein starker Kennfeldeinbruch
an der Stopfgrenze nicht auftritt. Ein solcher Verdichter weist üblicherweise
ein Kennfeld auf, das einen deutlichen Drehmomentanstieg im niedrigen
Drehzahlbereich der damit betriebenen Brennkraftmaschine behindert.
Um nun dieser Problematik zu begegnen, sind in dem Diffusor des
erfindungsgemäßen Verdichters Leitschaufeln vorgesehen,
die eine Verbreiterung des Kennfelds an der Pumpgrenze ermöglichen
und einen Druckanstieg im niedrigen Drehzahlbereich bei niedrigem
Luftbedarf der Brennkraftmaschine ermöglichen.
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Diese
Leitschaufeln aber lassen aufgrund der Bewandungsverluste bei steigendem
Luftdurchsatz die Verlustleistung ansteigen und werden daher mit
dem erfindungsgemäßen Ringkolben bei steigendem
volumetrischen Durchsatz aus dem Diffusor herausgezogen. Dadurch
ist es möglich, verglichen mit bekannten Verdichtern eine
Verbreiterung des Kennfelds des erfindungsgemäßen
Verdichters zu erreichen.
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Damit
bietet der erfindungsgemäße Verdichter den Vorteil,
dass er durch das Entfernen der Leitschaufeln aus dem Diffusorkanal
verglichen mit bekannten Radialverdichtern, deren Nachbeschaufelungsgeometrie
nur hinsichtlich des Einstellwinkels der Leitschaufeln verändert
werden kann, entdrosselt werden kann, ohne Nachteile in Bezug auf
die Pumpgrenze des Verdichters in Kauf nehmen zu müssen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verdichter wird also erreicht,
dass eine Verschiebung der Pumpgrenze im Kennfeld des Verdichters
in Richtung nach links aufgrund der stromabwärts des Verdichterrads
angeordneten Leitschaufeln möglich ist und die rechte Kennfeldgrenze,
die so genannte Stopfgrenze, durch die Möglichkeit der
Herausführung, also des Entfernens der Leitschaufeln aus
dem Diffusorkanal, nicht negativ beeinflusst wird. Damit kann durch
den erfindungsgemäßen Verdichter bei ansonsten
gleichen Abmessungen wie ein bekannter Verdich ter, die volumendurchsatzkritische
Stopfgrenze in Richtung nach rechts verlagert beibehalten werden
und im niedrigen Drehzahlbereich ein Anstieg des von der Brennkraftmaschine
abgegebenen Drehmoments erreicht werden.
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Der
solchermaßen ausgebildete Verdichter mit einem Ringkolben
innerhalb der Außenabmessungen des Verdichtergehäuses
ermöglicht ist, dass der Verdichter mit dem Laufzeug und
der Turbine einer bekannten Turboladerkonstruktion gekoppelt wird,
ohne dass dafür Änderungen am Laufzeug notwendig
werden, wie dies bei den vorstehend beschriebenen bekannten Konstruktionen
mit aus dem Diffusor herausführbarem Leitapparat der Fall
ist.
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Auf
diese Weise kann auch eine nach einem Hochdrehzahlkonzept und dem
Otto-Brennverfahren arbeitende Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen
Verdichter betrieben werden, ohne im höheren Drehzahlbereich
durch einen Abfall des Volumenstroms durch den erfindungsgemäßen
Radialverdichter hin gedrosselt zu werden.
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Auch
wird mit dem erfindungsgemäßen Verdichter der
vom Abgasturbolader benötigte Bauraum um den Abgasturbolader
herum nicht vergrößert, wie dies bei dem bekannten
Abgasturboladern mit herausführbarem Nachleitgitter der
Fall ist, da die Verstellkinematik für das Herausbewegen
des Nachleitgitters aus dem Diffusorkanal vollständig innerhalb der äußeren
Abmessungen des erfindungsgemäßen Verdichters
integriert ist.
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Es
ist mit der Erfindung erreicht, dass sich ein Ringkolben innerhalb
des Verdichtergehäuses axial verschiebbar bewegt und daher
kein zusätzlicher Platzbedarf außerhalb des Verdichtergehäuses für
die Verstellung des Nachleitgitters erforderlich ist. An dem Ringkolben
sind die Leitschaufeln sich radial nach außen gerichtet
erstreckend angeordnet und können sich zumindest teilweise
in den Diffusorkanal erstrecken.
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Die
Leitschaufeln können in den sich radial von der Längsmittelachse
des Verdichters weg erstreckenden Diffusorkanal unterschiedlich
tief eintauchen. Die Ein tauchtiefe wird dabei in Abhängigkeit von
dem Anforderungsprofil des Verdichters bestimmt, ebenso können
die Leitschaufeln eine geradlinige oder gekrümmte Form
einnehmen und an dem Ringkolben auch winkeleinstellbar angeordnet
sein derart, dass die Diffusorengfläche verändert
werden kann mittels einer Winkelverstellung der Leitschaufeln am
Ringkolben.
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Der
Ringkolben ist in dem Verdichtergehäuse axial verlagerbar
angeordnet und zwar derart, dass mittels der axialen Verlagerung
des Ringkolbens die Leitschaufeln in den Diffusorkanal hinein verlagert
werden können und auch aus dem Diffusorkanal heraus, so
dass sie aus dem Strömungsbereich des Diffusorkanals auch
vollständig entfernt werden können.
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Zu
diesem Zweck ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass das Verdichtergehäuse in einer Wandung des Diffusorkanals eine
der Zahl der Leitschaufeln entsprechende Zahl an Ausnehmungen aufweist,
in die die Leitschaufeln mittels einer axialen Verlagerung des Ringkolbens zum
Herausführen aus der Medienströmung zurückziehbar
sind.
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Es
bedeutet dies mit anderen Worten, dass eine Wand des Diffusorkanals
eine der Zahl der Leitschaufeln entsprechende Zahl an Ausnehmungen aufweist,
in die die Leitschaufeln mittels einer axialen Verlagerungsbewegung
des Ringkolbens so zurückgezogen werden können,
also beispielsweise in einen Aufnahmeraum des Verdichtergehäuses
durch eine Verlagerungsbewegung der Leitschaufeln in die Ausnehmungen
der Wandung des Diffusorkanals hinein verlagert werden können,
so dass sie aus der Medienströmung stromabwärts
des Verdichterrads vollständig entfernt werden können
und somit der Diffusorkanal entdrosselt wird.
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Obwohl
vorstehend von einer vollständigen Entfernung der Leitschaufeln
aus dem Diffusorkanal gesprochen wurde, ist es nach der Erfindung
auch vorgesehen, die Leitschaufeln zumindest teilweise aus dem Diffusorkanal
herauszuführen, so dass in Abhängigkeit von der
Auslegung des erfindungsgemäßen Verdichters auch
eine Ausführungsform möglich ist, nach der die
Leitschaufeln in der aus der Medienströmung herausgeführten
oder zurückgezogenen Stellung zumindest weitgehend aus
der Medienströmung zurückgezogen sind, was beispielsweise dann
von Vorteil sein kann, wenn der Raum für eine axiale Verlagerungsbewegung
des Ringkolbens im Verdichtergehäuse klein bemessen ist,
wodurch ein kompakt bauendes Verdichtergehäuse verwendet werden
kann und die Strömungsverluste durch Wandanlagerung und
dergleichen an den in der Medienströmung verbliebenen Bereichen
der Leitschaufeln bei der betreffenden Brennkraftmaschine nicht oder
wenig nachteilig sind.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leitschaufeln
in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses zwischen
einer Saugseite und einer Druckseite des Verdichters aus der Medienströmung
gesteuert oder geregelt herausführbar sind. Damit wird
ein autarkes System erreicht, das völlig eigenständig
die Axialverschiebung des Ringkolbens und damit der Leitschaufeln
durchführt, ohne dass hierzu beispielsweise eine Ansteuerung der
Verstellkinematik mittels Druckluft von außen benötigt
wird.
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Zu
diesem Zweck kann eine den Ringkolben beaufschlagende Federeinrichtung
vorgesehen sein, deren Federkraft derart vorbestimmt ist, dass der Ringkolben
nach dem Erreichen eines Schwellenwertes des Druckverhältnisses
von dem druckseitigen Druck gegen die Federkraft zum Herausführen der
Leitschaufeln aus der Medienströmung axial verlagerbar
ist. Bei einer solchen Ausführungsform können
in einer den Ringkolben aufnehmenden Kolbenkammer zwei Bohrungen
angeordnet sein, nämlich beispielsweise im Ansaugstutzen
des Verdichtereintritts und in dem Diffusor beziehungsweise der
Düse.
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Nimmt
nun der Verdichter die Arbeit auf, stellt sich eine Druckdifferenz
an den beiden Bohrungen ein, die ab einem vorbestimmten Schwellenwert
den Kolben verschiebt. Damit wird erreicht, dass ab dem der Druckdifferenz
entsprechenden Volumenstrom der Diffusor wieder glatt und durchgängig
ist, also keine Störkontur in der Form der Leitschaufeln
aufweist und damit eine Entdrosselung des Diffusors erreicht wird.
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Zu
diesem Zweck ist es auch von Vorteil, dass die Ausnehmungen derart
konfiguriert sind, dass sie bei in die Ausnehmungen zurückgezogenen Leitschaufeln
von diesen zumindest weitgehend gegen die Medienströmung
verschlossen sind. Damit können die Ausnehmungen also form-
und flächenkomplementär zu den Leitschaufeln ausgebildet
sein, so dass die Ausnehmungen von den in den Ausnehmungen befindlichen
Leitschaufeln weitgehend verschlossen sind und somit eine weitgehend
glatte Kontur der Wandung des Diffusorkanals, die die Ausnehmungen
aufweist, erreicht wird.
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Mittels
einer Kalibrierung der Federkraft kann eingestellt werden, ab welchem
Druckverhältnis die Leitschaufeln aus dem Diffusorkanal
heraus axial verlagert werden, das heißt aus der Medienströmung zurückgezogen
werden.
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Neben
der angesprochenen Federeinrichtung ist es nach der Erfindung auch
vorgesehen, einen elektromotorischen Aktuator vorzusehen, der gesteuert
oder geregelt den Ringkolben betätigt und zwar derart,
dass dieser mittels seiner axialen Verlagerungsbewegung die Leitschaufeln
in den Diffusorkanal einfährt, dort beispielsweise auch
eine Winkelverstellung der Leitschaufeln ausführt und die
Leitschaufeln mittels einer axialen Verlagerungsbewegung des Ringkolbens
wieder aus dem Diffusorkanal herausfährt. Mit der Anordnung
des Aktuators am Verdichtergehäuse – beispielsweise
im Bereich einer Ausnehmung des Verdichtergehäuses – wird
erreicht, dass der vom Abgasturbolader benötigte Bauraum
trotzdem nicht vergrößert wird.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verdichtergehäuse
aus einem Kunststoffwerkstoff ausgebildet ist. Bei diesem Kunststoffwerkstoff
kann es sich beispielsweise um Polyphenylen Sulfid (PPS) handeln.
Durch die Verwendung eines Kunststoffwerkstoffes für das
Verdichtergehäuse wird es ermöglicht, in dem Raum
um das Verdichterrad herum eine sich parallel zur Axiallängsrichtung
des Verdichterrads erstreckende Kolbenkammer auszubilden, die das
Verdichterrad umgibt und zwar im Bereich der Saugseite des Verdichters,
also in dem vom Laufzeug abgewandten Bereich des Verdichters, der
konstruktiv deutlich weniger sensibel ist, als die Laufzeugseite.
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Die
Ausbildung einer solchen Kolbenkammer, die das Verdichterrad einschließt,
wird durch die Verwendung eines Kunststoffwerkstoffes erst ermöglicht,
so dass dadurch erst die Möglichkeit geschaffen worden
ist, eine Verstellkinematik für die Betätigung des
Leitgitters des Diffusors vollständig innerhalb der Außenabmessungen
des Verdichtergehäuses zu integrieren, ohne dass Modifikationen
konstruktiver Art an der Seite des Verdichtergehäuses notwendig
werden, die zum Anschluss des Verdichters am Laufzeug dienen.
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Der
erfindungsgemäße Verdichter ermöglicht
es also, nach dem Baukastenprinzip mit bekannten und bewährten
Konstruktionen für das Laufzeug und die Turbine zu einem
Abgasturbolader kombiniert zu werden. Dadurch ist beispielsweise
auch die Bildung von Abgasturboladern möglich, die in Abhängigkeit
vom benötigten Luftdurchsatz der damit betriebenen Brennkraftmaschinen
Verdichter mit unterschiedlichen volumetrischen Durchsatzcharakteristika
aufweisen, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen unterschiedlicher
Leistungsstufen, ohne dass am Laufzeug und an der Turbine umfangreiche
konstruktive Modifikationen notwendig sind.
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Die
Erfindung sieht nun nach einer Weiterbildung auch noch vor, dass
die Leitschaufeln aus der Medienströmung in Abhängigkeit
eines Druckverhältnisses zwischen einer Saugseite und einer
Druckseite des Verdichters aus der Medienströmung gesteuert
oder geregelt herausführbar sind derart, dass sich ein
umschaltbares Verdichterkennfeld einstellt. Es bedeutet dies mit
anderen Worten, dass die Leitschaufeln aus dem Diffusorkanal in
Abhängigkeit des Druckverhältnisses so aus dem
Diffusorkanal mittels des Ringkolbens herausbewegt und in den Diffusorkanal
wieder hineinbewegt werden können, dass sich ein umschaltbares
Verdichterkennfeld einstellt.
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Befinden
sich die Leitschaufeln in der eingefahrenen Stellung in dem Diffusorkanal,
so kann dies der Stellung der Leitschaufeln bei niedrigen und mittleren
Drehzahlen der Brennkraftmaschine entsprechen, während
die aus dem Diffusorkanal herausgefahrene Stellung der Leitschaufeln
der Stellung bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine entsprechen
kann, die mit einem entsprechenden hohen Volumenstrom an angesaugter
Verbrennungsluft verbunden sind und dies dadurch erreicht wird,
dass die Leitschaufeln aus dem Diffusorkanal zurückgezogen werden
und der Diffusorkanal auf diese Weise eine Entdrosselung erfährt.
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Solange
sich also die Leitschaufeln in der in den Diffusorkanal hinein bewegten
Stellung befinden, stellt sich ein erstes Verdichterkennfeld ein,
dem sich in der zweiten Stellung der Leitschaufeln, in der sie in
die Öffnungen in der Wandung des Diffusorkanals zurückgezogen
angeordnet sind, ein zweites Verdichterkennfeld überlagert
und die Überlagerung der beiden Verdichterkennfelder zu
einem erweiterten, das heißt breiteren Verdichterkennfeld
führt, als dies bei dem bekannten Verdichter mit lediglich
winkeleinstellbarem Leitapparat im Diffusorkanal der Fall ist.
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Die
Erfindung macht es nun möglich, dass der Radialverdichter
bei niedrigem und mittlerem Luftbedarf der Brennkraftmaschine mit
hohem Wirkungsgrad arbeitet und dabei eine Verschiebung der Pumpgrenze
des Verdichterkennfeldes in Richtung nach links erfolgt, während
bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine, die mit einem entsprechenden hohen
Luftbedarf verbunden sind, der Nachteil des steilen Kennfeldabfalls
an der Stopfgrenze des bekannten Radialverdichters vermieden wird
und eine zu einem hohen Luftfördervolumen führende
Entdrosselung des Diffusorkanals des erfindungsgemäßen
Verdichters zur Aufladung der Brennkraftmaschine stattfindet.
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Die
Erfindung wird nun im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine
teilweise schematisierte Schnittdarstellung eines Abgasturboladers
mit einer Ausführungsform eines Verdichters nach der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Verdichters nach der Erfindung
mit im Diffusor angeordneten Leitschaufeln; Darstellung ähnlich
derjenigen nach 1, mit aus dem Diffusor heraus
bewegten Leitschaufeln;
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3 eine
Darstellung ähnlich derjenigen nach 2, mit aus
dem Diffusor heraus bewegten Leitschaufeln; und
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4 ein
Kennfeld des erfindungsgemäßen Verdichters.
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1 der
Zeichnung zeigt in einer teilweise schematischen Schnittdarstellung
einen Abgasturbolader 1 mit einem Verdichter 2 nach
der vorliegenden Erfindung.
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Die
schematische Darstellung betrifft dabei eine Turbine 3,
da es sich hierbei um eine bekannte Turbine handeln kann. In ähnlicher
Weise ist ein Laufzeug beziehungsweise Lagerstuhl 4 des
Abgasturboladers 1 nur schematisch dargestellt. Bei der Turbine 3 und
dem Laufzeug 4 kann es sich also um eine Baugruppe handeln,
die sich im praktischen Einsatz bereits bewährt hat und
die daher in konstruktiver Hinsicht nicht verändert werden
soll.
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Diese
Baugruppe aus Turbine 3 und Laufzeug 4 kann nun
mit dem erfindungsgemäßen Verdichter 2 gekoppelt
werden.
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Der
Verdichter 2 besitzt ein Verdichtergehäuse 5,
in dem ein Einlasskanal 6 für das Einströmen von
Ansaugluft vorgesehen ist. In dem Einlasskanal 6 ist ein
Verdichterrad 7 an einer Welle 8 drehbar angeordnet.
Die Welle 8 verbindet das Verdichterrad 7 kraftschlüssig
mit dem mit hohen Temperaturen belasteten Laufzeug 4, welches
die von der Turbine 3 stammende Antriebsleistung auf das
Verdichterrad 7 überträgt.
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In
dem Einlasskanal 7 bildet sich eine Strömung aus
für die Verbrennung vorgesehener Ansaugluft aus, die stromabwärts
des Verdichterrads 7 in den Diffusorkanal 9 als
Medienströmung geleitet wird. In dem Diffusorkanal 9 befinden
sich Leitschaufeln 10 angeordnet, die eine verstellbare
Nachbeschaufelung ausbilden.
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Die
Leitschaufeln 10 können in den Diffusorkanal 9 hineinbewegt
werden und aus diesem herausbewegt werden und zwar mittels eines
im Verdichtergehäuse 5 angeordneten axial verlagert
waren Ringkolbens 11.
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Der
Ringkolben 11 weist eine vorbestimmte Längserstreckung
auf und ist im Verdichtergehäuse 5 so angeordnet
vorgesehen, dass sich seine Längsmittelachse 12 mit
der Längsmittelachse des Verdichterrads 7 deckt
und er das Verdichterrad 7 radial umgibt. Damit wird eine
Konfiguration des Verdichters 2 geschaffen, bei der sich
die Verstellkinematik für die Leitschaufeln 10 vollständig
innerhalb des Verdichtergehäuses 5 angeordnet
befindet und zwar derart, dass sich die aus Radialkolben 11 und
einer Federeinrichtung 21 gebildete Verstellkinematik radial
benachbart zu dem Verdichterrad 7 angeordnet befindet,
also in einem Bereich radial zum Einlasskanal 6, so dass
eine Flanschfläche 13 für die Anordnung des
Verdichters 2 am Laufzeug 4 nicht verändert
werden muss.
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Damit
kann der erfindungsgemäße Verdichter mit der Baugruppe
aus Laufzeug 4 und Turbine 3 verbunden werden,
ohne dass an dem mit hohen Temperaturen von der Turbine 3 belasteten
Laufzeug 4 technische Änderungen notwendig werden.
Im Bereich der Anschlussfläche oder Flanschfläche 13 zwischen
dem Verdichter 2 und dem Laufzeug beziehungsweise Lagerstuhl 4 sind
daher keine konstruktiven Änderungen erforderlich, da sich
die Verstellkinematik für die Verstellung der Leitschaufeln 10 nicht benachbart
zur Flanschfläche 13 befindet, sondern radial
zum Einlasskanal 6 beziehungsweise zum Verdichterrad 7 angeordnet.
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Der
Ringkolben 11 ist in einer den Einlasskanal 6 radial
umgebenden Kolbenkammer 14 angeordnet und zwar derart,
dass er axial verlagert werden kann und dadurch die an dem Ringkolben 11 angeordneten
Leitschaufeln 10 aus dem Diffusorkanal 9 herausbewegt
werden können oder in diesen hineinbewegt werden können.
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Die
Erfindung sieht dabei insbesondere vor, dass die Verstellbewegung
der Leitschaufeln 10 anhand eines sich selbsttätig
regelnden Systems durchgeführt wird. Zu diesem Zweck ist
zwischen einer den Einlasskanal 6 ausbildenden Wandung und der
Kolbenkammer 14 eine Bohrung 15 vorgesehen, über
die der im Einlasskanal 6 herrschende Druck eine aus mehreren
Teilflächen gebildete Kolbenfläche 16 beaufschlagen
kann.
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In ähnlicher
Weise ist druckseitig stromabwärts des Verdichterrads 7 im
Bereich des Diffusorkanals 9 eine Bohrung 17 vorgesehen, über
die der im Diffusorkanal 9 herrschende Druck eine Kolbenfläche 18 beaufschlagen
kann.
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Die
Federeinrichtung 21 ist in der Kolbenkammer 14 vorgesehen
und kann die Kolbenfläche 16 beaufschlagen, so
dass sich die Leitschaufeln 10 im Diffusorkanal angeordnet
befinden, wenn die aus der Druckbeaufschlagung der Kolbenfläche 18 mit dem
Druck im Diffusorkanal 9 resultierende Druckkraft kleiner
ist als die Summe der Federkraft der Federeinrichtung 21 und
der aus der Beaufschlagung der Kolbenfläche 16 mit
dem Unterdruck im Einlasskanal 6 herrührenden
Druckkraft.
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Steigt
nun der Druck im Diffusorkanal 9 an und damit die Druckkraft
an der Kolbenfläche 18, so stellt sich ein Schaltpunkt
ein, ab dem die Leitschaufeln aus dem Diffusorkanal 9 herausbewegt
werden und eine Entdrosselung des Diffusorkanals 9 stattfindet.
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Die
Kolbenkammer 14 kann bei der Bildung des aus einem Kunststoffwerkstoff
in der Form beispielsweise eines Polyphenylen Sulfids (PPS) gefertigten
Verdichtergehäuses 5 hergestellt werden.
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2 der
Zeichnung zeigt in einer teilweise aufgebrochenen perspektivischen
Darstellung einen Verdichter 2 mit einem Verdichtergehäuse 5 und
dem Verdichterrad 7. Das Verdichterrad 7 wird
von dem in der Kolbenkammer 14 axial verlagerbaren Ringkolben 11 radial
umgeben und am Ringkolben 11 sind die einstückig
damit ausgebildeten Leitschaufeln 10 angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform des Ringkolbens 11 sind die Leitschaufeln 10 nicht
winkeleinstellbar vorgesehen, bei einer modifizierten Ausführungsform
des Verdichters 2 ist es aber auch möglich, die
Leitschaufeln 10 am Ringkolben 11 winkeleinstellbar
vorzusehen, so dass die Diffusorengfläche zwischen den
Leitschaufeln 10 durch eine Winkelverstellung der Leitschaufeln 10 verändert
werden kann.
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Bei
der Darstellung nach 2 befinden sich die Leitschaufeln 10 in
einer in den Diffusorkanal 9 ausgefahrenen Stellung, eine
Verschiebung der Pumpgrenze im Kennfeld in Richtung nach links kann erreicht
werden.
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Steigt
nun der im Diffusorkanal 9 herrschende Druck an, so ergibt
sich aufgrund des am Ringkolben 11 herrschenden Kräftegleichgewichts
ein Umschaltpunkt, ab dem die Leitschaufeln 10 aus dem Diffusorkanal 9 herausbewegt
werden und zwar in Richtung von im Verdichtergehäuse 5 ausgebildeten Ausnehmungen 19,
die der Aufnahme der Leitschaufeln 10 dienen.
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Diese
Stellung der Leitschaufeln 10 ist in 3 der
Zeichnung dargestellt. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, wurde
der Ringkolben 11 in der Zeichnung in Richtung nach links
verschoben, die Leitschaufeln 10 wurden aus dem Diffusorkanal 9 herausbewegt,
der Diffusorkanal 9 ist entdrosselt.
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Die
Flanschfläche 13 nach 2 und 3 dient
der Anordnung des Laufzeugs 4 zur Bildung eines Abgasturboladers 1,
wie er in 1 der Zeichnung dargestellt
ist.
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4 der
Zeichnung zeigt ein Kennfeld des erfindungsgemäßen
Verdichters 2. Aufgetragen ist das Druckverhältnis
des Drucks hinter dem Verdichter 2 zu dem Druck vor dem
Verdichter 2 über dem Massenstrom. Weiters zeigt
das Kennfeld die Motorschlucklinie 22 und eine Schaltgrenze 20,
die sich aus den Umschaltpunkten bei unterschiedlichem Druckverhältnissen
zwischen aktiver Nachbeschaufelung und inaktiver Nachbeschaufelung
ergibt, Stellungen also, bei denen die Leitschaufeln 10 in
dem Diffusorkanal 9 angeordnet sind beziehungsweise in die
Ausnehmungen 19 zurückbewegt worden sind und somit
die Nachbeschaufelung inaktiv ist. Der Pfeil 23 zeigt auf
eine Kennlinie im Verdichterkennfeld mit aktiver Nachbeschaufelung,
die deutlich höher liegt als die darunter angeordnete Kennlinie
mit inaktiver Nachbeschaufelung, wodurch sich sofort und ohne weiteres
der erwünschte Druckanstieg im Bereich niedriger Volumendurchsätze
ergibt.
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Der
erfindungsgemäße Verdichter zeichnet sich nun
dadurch aus, dass die Leitschaufeln an dem Ringkolben aus dem Diffusorkanal
vollständig herausbewegt werden können und zu
diesem Zweck in Ausnehmungen oder Aussparungen in der Düsenwand
des Diffusorkanals vollständig aufgenommen werden können.
Die gesamte Verstellkinematik für die Bewegung der Leitschaufeln
ist innerhalb des Verdichtergehäuses angeordnet, der Ringkolben
und die Federeinrichtung befinden sich also in einer Kolbenkammer
des Verdichtergehäuses angeordnet und beeinflussen somit
die Konstruktion des Laufzeugs eines damit gebildeten Abgasturboladers nicht.
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Dies
ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen
Verdichters, da das Laufzeug beziehungsweise der Lagerstuhl des
Abgasturboladers damit nicht verändert werden muss und
eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verdichters
an bestehenden Turboladermodulen möglich ist. Das Verdichtergehäuse
mit Verdichterrad und Ringkolben sowie Leitschaufeln kann als vormontierte
Einheit bereitgestellt werden und es ist eine kostengünstig
vorteilhafte Ausbildung des Verdichtergehäuses aus einem
Kunststoffwerkstoff möglich.
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Die
Axialverschiebung des Ringkolbens und damit der Leitschaufeln kann
als sich selbsttätig regelndes System ausgebildet sein
und zwar mittels einer kostengünstigen Federeinrichtung
und dem Vorsehen von zwei mit der Kolbenkammer in einer fluidischen
Verbindung stehender Bohrungen, über die der im Einlasskanal
beziehungsweise dem Verdichtereintritt und dem Diffusor beziehungsweise
der Düse herrschende Druck den Ringkolben beaufschlagt.
Diese Konfiguration sorgt dafür, dass ab einem vorbestimmten
Volumenstrom die Düse wieder glatt ist und durchgängig
und keine Störkontur mehr besitzt, also entdrosselt ist.
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Hinsichtlich
vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter
Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich
auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Verdichter
- 3
- Turbine
- 4
- Laufzeug,
Lagerstuhl
- 5
- Verdichtergehäuse
- 6
- Einlasskanal
- 7
- Verdichterrad
- 8
- Welle
- 9
- Diffusorkanal
- 10
- Leitschaufel
- 11
- Ringkolben
- 12
- Längsmittelachse
- 13
- Flanschfläche
- 14
- Kolbenkammer
- 15
- Bohrung
- 16
- Kolbenfläche
- 17
- Bohrung
- 18
- Kolbenfläche
- 19
- Ausnehmung
- 20
- Schaltgrenze
- 21
- Federeinrichtung
- 22
- Motorschlucklinie
- 23
- Kennlinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2354821
A1 [0006]
- - DE 3151414 A1 [0007]
- - DE 2428969 A1 [0008]
- - DE 3542762 C2 [0009]
- - DE 102004035044 A1 [0010]
- - DE 19956896 C1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Variable
Geometry Diffuser Turbocharger Compressor for Passenger Verhicles”,
ISSN 0148-7191, 2003 SAE World Congress, Michigan, March 3–6,
2003 von Hiroshi Tange et al. [0013]