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Die
Erfindung geht aus von einem Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine,
mit einem in einem axialen Verdichtereinlasskanal drehbar gelagerten
Verdichterrad, mit welchem aus einem Verbrennungsluftkanal durch
wenigstens eine im Strömungsquerschnitt
einstellbare und stromauf des Verdichterrades angeordnete Axialluftöffnung in
den axialen Verdichtereinlasskanal zugeführte Verbrennungsluft auf einen
erhöhten
Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem stromauf des Verdichterrades in
den Verdichtereinlasskanal radial einmündenden Zusatzkanal, in dessen
Mündungsbereich
in den Verdichtereinlasskanal wenigstens eine im Strömungsquerschnitt
einstellbare Radialluftöffnung
angeordnet ist, um durch Zufuhr von Verbrennungsluft das Verdichterrad
zu treiben, wobei die Strömungsquerschnitte
der Axialluftöffnung
und der Radialluftöffnung
mittels verstellbarer, durch wenigstens einen Aktuator betätigbare
Sperrorgane einstellbar sind, gemäß der Gattung von Anspruch
1.
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Ein
solcher Verdichter ist in der bisher unveröffentlichten
DE 102 527 67.9 beschrieben, der
als Bestandteil eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in
deren Ansaugtrakt angeordnet ist. Der Abgasturbolader umfasst weiterhin
eine von Abgasen angetriebene Abgasturbine, welche den Verdichter
treibt. Der Verdichter verdichtet angesaugte Verbrennungsluft auf
einen erhöhten
Ladedruck und weist in dem axialen Verdichtereinlasskanal ein drehbar
gelagertes Verdichterrad auf, welches axial zugeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten
Druck verdichtet. Parallel zum Verdichtereinlasskanal verläuft der
separat ausgebildete 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 Radschaufeln des 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 als Stellglied ein einstellbarer Kolben, über den
die jeweiligen Luftmassenströme
in den axialen Verdichtereinlasskanal bzw. den Zusatzkanal steuerbar
sind.
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Dem
Verdichter genügt
ein einziger Aktuator, um in Abhängigkeit
des aktuellen Last- und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine
sowohl den Kolben im Verdichtereinlasskanal als auch die Dralleinrichtung
im Mündungsbereich
des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal zu verstellen. Die
Einstellung erfolgt dadurch, dass der Kolben im Verdichtereinlasskanal
in einer definierten Bewegungsphase die Dralleinrichtung im Mündungsbereich
von Zusatzkanal zum Verdichtereinlasskanal beaufschlagt, wodurch
die Stellbewegung des Kolbens auf die Dralleinrichtung übertragen
und diese verstellt wird. Der Kolben übernimmt somit die zusätzliche
Funktion eines Stellgliedes für
die Dralleinrichtung. Auf einen weiteren Aktuator kann verzichtet
werden. Mit nur einem Aktuator können
beim Verdichter zwei separate Sperrorgane betätigt werden, was grundsätzlich dadurch
ermöglicht
wird, dass die Einstellung des Kolbens im Verdichtereinlasskanal
und die Einstellung der Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals
in unterschiedlichen Last- und Betriebszuständen erfolgen, denen unterschiedliche
Stellbewegungen des Kolbens zugeordnet werden.
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Die
Einstellung der Dralleinrichtung findet vorzugsweise bei niedrigen
Lasten 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.
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Bei
höheren
Lasten der Brennkraftmaschine dagegen ist der Kolben 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 der Abgasturbine, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine
angeordnet sein kann und von den unter Druck stehenden Abgasen der
Brennkraftmaschine betrieben wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter
der eingangs erwähnten Art
derart weiter zu entwickeln, dass ein Notbetrieb auch bei einem
aufgrund eines Defekts außer
Betrieb gesetzten Aktuator möglich
ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird zusätzlich
eine Stelleinrichtung vorgesehen, durch welche die Sperrorgane bei
außer
Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator selbsttätig in eine
Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungsquerschnitt
der Axialluftöffnung
und/oder der Radialluftöffnung
vorhanden ist. Dieser definierte Strömungsquerschnitt erlaubt auch
dann einen Notluftbetrieb der Brennkraftmaschine, wenn der Aktuator
beispielsweise infolge eines Fehlers in seiner Steuerung außer Betrieb
gesetzt ist. Dieser definierte Strömungsquerschnitt stellt sich
auch während
eines Stillstands der Brennkraftmaschine ein und dient dann als
Ausgangspunkt für die
Regelung beim Start der Brennkraftmaschine.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung
möglich.
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Besonders
bevorzugt liegt der definierte Strömungsquerschnitt vor, wenn
die Axialluftöffnung vollständig verschlossen
ist und die Radialluftöffnung einen
Notluft-Strömungsquerschnitt
aufweist. Bei außer
Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator kann die Turbine dann
im Notluft- oder Kaltluftturbinenbetrieb weiter betrieben werden,
in welchem die Verbrennungsluft ausschließlich über den Zusatzkanal geleitet
wird und unter einem Drall auf das Verdichterrad auftrifft, welches
hierdurch eine Drehbeschleunigung erfährt.
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Gemäß einer
Weiterbildung beinhaltet die Stelleinrichtung auf die Sperrorgane
und/oder den Aktuator wirkende Federelemente. Solche Federelemente
stellen kostengünstige
Bauelemente dar und sind darüber
hinaus in bestehende Verdichter leicht nachrüstbar. Diese Federelemente
sind beispielsweise derart ausgebildet, dass bei Vorliegen des Notluft-Strömungs querschnitts
der Radialluftöffnung Kräftegleichgewicht
herrscht, wobei die Federelemente derart ausgelegt sind, dass sie
die Reibung des Aktuators und/oder der Sperrorgane in deren Führungen überwinden
und dadurch den Notluft-Strömungsquerschnitt
im Notluftbetrieb einstellen können.
Dann braucht keine weitere Antriebsquelle vorhanden zu sein, um
den Aktuator und/oder die Sperrorgane in den Notluftbetrieb zu stellen.
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung
zeigt
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1 eine
schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Verdichters gemäß der Erfindung;
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2 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 im
Notluftbetrieb;
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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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 22 antreibt,
die drehbar in einem Verdichtereinlasskanal 5 gelagert
ist. Die aus einem vorgelagerten, im Verdichtergehäuse 22 angeordneten
Luftsammelraum 6 über
eine Axialluftöffnung 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 22 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 Verdichtereinlasskanals 5 ist. Der vorgelagerte Luftsammelraum 6 ist
als Ringraum ausgebildet und weist gegenüber der Verdichterachse 11 einen
radialen Abstand auf. Die Axialluftöffnung 7, welche Teil
des Verdichtereinlasskanals 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. Axial in Pfeilrichtung 10 verschieblich
ist in dem Verdichtereinlasskanal 5 ein Sperrorgan 9 angeordnet, bei
dessen axialer Bewegung der Querschnitt der Axialluftöffnung 7 zwischen
einer in 1 dargestellten Öffnungsstellung
und einer Schließstellung (2)
zu verschieben ist, in welcher die Axialluftöffnung 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 Aktuators 12 axial
verschoben. In Öffnungsstellung
ist die Axialluftöffnung 7 zwischen
der Außenkontur
des Sperrorgans 9 und einem Axialschieber 14 gebildet,
der ebenfalls in Achsrichtung verschoben werden kann und einen axial
verlaufenden, radial jedoch außerhalb
des Verdichtereinlasskanals 5 verlaufenden Zusatzkanal 15 gegenüber dem
Verdichtereinlasskanal abtrennt. Der Zusatzkanal 15 kommuniziert
einenends ebenfalls mit dem Luftsammelraum 6 und mündet anderenends über eine
Radialluftöffnung 16 radial
in Höhe
des Verdichterrades 2 in den Verdichtereinlasskanal 5.
Die über den
Zusatzkanal 15 zugeführte
Verbrennungsluft trifft näherungsweise
radial auf die Verdichterradschaufeln 3 auf und beaufschlagt
diese mit einem beschleunigenden Drall. Zur Verbesserung der Drallwirkung
ist in der Radialluftöffnung 16 ein
Drallgitter 17 angeordnet, welches beispielsweise über den
Umfang des Drallgitters 17 verteilte Leitschaufeln aufweist,
die den Strömungsverlauf
der auftreffenden Verbrennungsluft beeinflussen.
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Axialschieber 14 und
Drallgitter 17 bilden gemeinsam ein weiteres Sperrorgan, über das
der Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 zwischen einem
in 1 dargestellten maximalen Wert und einem demgegenüber kleineren
Notluft-Strömungsquerschnitt
zu verstellen ist, der in 2 veranschaulicht
ist. Darüber
hinaus kann die Radialluftöffnung 16 auf
ein Minimum reduziert, gegebenenfalls auch vollständig abgesperrt
werden. Die Verstellung des Strömungsquerschnitts
der Radialluftöffnung 16 erfolgt
durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 14 in
Pfeilrichtung 18; der maximal mögliche Stellweg des Axialschiebers 14 bei
der Überführung des
Strömungsquerschnitts
der Radialluftöffnung 16 zwischen
Maximalwert und Minimalwert ist in 1 mit S2 gekennzeichnet.
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Der
Axialschieber 14 ist am Verdichtergehäuse 22 verschieblich
gelagert und wird von einem vorzugsweise vorgespannten Federelement 19 in seine Öffnungsstellung
beaufschlagt. Zur Überführung aus
der in 1 dargestellten Öffnungsstellung in die in 2 gezeigte
Notluft-Stellung 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 Axialluftöffnung 7 des
Verdichtereinlasskanals 5 abgesperrt ist. Das Sperrorgan 9 ist
als Sperrstempel ausgebildet, wobei in der Sperrstellung die Außenkontur
des Sperrorgans 9 die Außenkontur des Axialschiebers 14 berührt, so
dass die Axialluftöffnung 7 geschlossen
ist.
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Der
Axialschieber 14 befindet sich in der in 2 dargestellten
Lage in einer Stellung, in welcher der Notluft-Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 vorhanden.
Das Drallgitter 17 ist beinahe vollständig in der axialen Aufnahmeöffnung 20 im Axialschieber 14 aufgenommen.
Durch die verbleibende Radialluftöffnung 16 kann nur
ein verhältnismäßig geringer
Luftmassenstrom hindurchströmen, so
dass das Verdichterrad 2 auch nur einen entsprechend geringen
Drehimpuls erfährt.
In dieser Konfiguration nimmt der Verdichter 1 die Funktion
einer Kaltluftturbine ein, da der über den Zusatzkanal 15 zugeführte Verbrennungsluftstrom
aufgrund eines Druckgefälles
das Verdichterrad 2 antreibt und stromab des Verdichterrades 2 auf
einen Unterdruck entspannt wird.
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Bei
einer Verschiebung des Sperrorgans 9 in Gegenrichtung – weg vom
Verdichterrad 2 – wird
zunächst
der Axialschieber 14 unter dem Einfluss des Federelements 19 in
seine Öffnungsposition
verschoben, wobei in dieser Phase die Axialluftöffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal 5 noch
geschlossen bleibt. Nach dem Erreichen seiner Öffnungsposition, welche durch
einen Anschlag 21 gesichert sein kann, wird bei einem weiteren
Verschieben des Sperrorgans 9 weg vom Verdichterrad 2 auch
die Axialluftöffnung 7 zum
Verdichtereinlasskanal 5 wieder geöffnet, bis nach dem Zurücklegen
des SteLlwegs S1 die Axialluftöffnung 7 vollständig geöffnet ist
und der Strömungsquerschnitt
ein Maximum erreicht. Über eine Verschiebung
des Anschlages 21, welcher die Öffnungsstellung des Axialschiebers 14 markiert, kann
das Verhältnis
der Strömungsquerschnitte
von Axialluftöffnung
zu Radialluftöffnung
beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine
Stelleinrichtung vorgesehen, durch welche die Stellorgane 9, 14, 17 bei
außer
Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator 12 selbsttätig in eine
Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungsquerschnitt der
Axialluftöffnung 7 und/oder
der Radialluftöffnung 16 vorhanden
ist. Vorzugsweise soll im Rahmen eines Notlaufbetriebs des Verdichters 1 die
Axialluftöffnung 7 vollständig verschlossen
sein und sich der Notluft-Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 gemäß 2 einstellen,
bei welchem der Verdichter 1 die Funktion einer Kaltluftturbine
einnimmt.
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Besonders
bevorzugt beinhaltet die Stelleinrichtung eine Federeinrichtung
mit auf die Sperrorgane 9, 14, 17 und
den Aktuator 12 wirkenden Federelementen, die derart ausgebildet
sind, dass bei Vorliegen des Notluft-Strömungsquerschnitts der Radialluftöffnung 16 Kräftegleichgewicht
herrscht.
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Hierzu
ist zwischen einem endseitigen Ringbund 24 eines auf das
Sperrorgan 9 wirkenden Aktuatorkolbens 26 und
einem Aktuatorgehäuse 28 eine Aktuatorfeder 30 vorgespannt
abgestützt,
welche den Aktuator 12 in eine die Axialluftöffnung 7 und
die Radialluftöffnung 17 verschließende Richtung
beaufschlagt. Weiterhin ist ab einem bestimmten Stellweg wirksame
Anschlagfeder 32 vorhanden, welche den Axialschieber 14 in
seine Öffnungsstellung
beaufschlagt. Wie am besten 1 veranschaulicht,
ist die Anschlagfeder 32 an einem parallel zur Verdichterachse 11 verlaufenden,
in Richtung des Verdichterrades 2 ragenden Stab 34 aufgenommen,
welcher von einer in den Zusatzkanal 15 hineinragenden
Nase 36 des Axialschiebers 14 wegragt. Die Anschlagfeder 32 ist
dabei zwischen einer Stirnfläche
der Nase 36 und einer Scheibe 38 unter Vorspannung
abgestützt, die
zwar in einer zur Nase 36 gewandten Richtung, aber beispielsweise
durch einen als Ringbund am Ende 40 des Stabes 34 gebildeten
Anschlag nicht über
das Ende 40 des Stabes 34 hinaus auf dem Stab 34 axial
verschieblich ist. In der in 1 gezeigten
Stellung des Axialschiebers 14, in welcher der Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 maximal
ist, ist das Ende 40 des Stabes 34 von einer koaxialen
Sacklochbohrung 42 in einer senkrecht zum Stab 34 verlaufenden
Wandung des Verdichtergehäuses 22 beabstandet
und die Anschlagfeder 32 daher wirkungslos.
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Falls
der Aktuator 12 ausfällt,
beispielsweise aufgrund eines Defekts in seiner Steuerung, ist der Aktuatorkolben 26 in
Bezug auf den Aktuator 12 kräftefrei, beaufschlagt aber
infolge der Federspannung der Aktuatorfeder 30 das Sperrorgan 9 in
die Kontaktstellung mit dem Axialschieber 14. Dabei ist die
Federkraft der als Druckfeder wirkenden Aktuatorfeder 30 so
groß,
dass sie die Reibungskräfte
der Führungen
der Sperrorgane 9, 14, 17 sowie die vom Federelement 19 ausgehende
Gegenkraft überwindet,
so dass der Axialschieber 14 in die Notluftposition gemäß 2 gelangen
kann, in welcher die das Ende der Anschlagfeder 32 abstützende Scheibe 38 am
Bohrungsrand der Sacklochbohrung 42 anschlägt. Die
Federrate der Anschlagfeder 32 ist wiederum so groß, dass
sie im Zustand des sich nun einstellenden Kräftegleichgewichts kaum einfedert,
so dass das Ende 40 des Stabes 34 allenfalls geringfügig in die
Sacklochbohrung 42 hineinragt.
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Aufgrund
ihrer relativ hohen Federrate bildet die Anschlagfeder 32 zusammen
mit der Scheibe 38 einen ab einem bestimmten Stellweg des
Axialschiebers 14 wirksamen, überdrückbaren Anschlag für den Axialschieber 14,
der ihn in der dem Notluft-Strömungsquerschnitt
zugeordneten Position gemäß 2 hält, welche
den Notluftbetrieb des Verdichters 1 repräsentiert. Überdrückbar ist
der Anschlag in Form der Anschlagfeder 32 deshalb, weil
bei intaktem Aktuator 12 dieser nach wie vor durch Betätigung des
Aktuatorkolbens 26 nach rechts den Strömungsquerschnitt der Radialluftöffnung 16 über den
im Notluftbetrieb herrschenden Notluft-Strömungsquerschnitt hinaus gegen
die Wirkung der Anschlagfeder 32 verkleinern kann, bis
der Strömungsquerschnitt durch
die Radialluftöffnung 16 minimal,
z.B. im Leerlauf bzw. annährend
gleich Null ist und beispielsweise das Ende 40 des Stabes 34 am
starren Boden der Sacklochbohrung 42 anschlägt, um eine
weitere Bewegung zu verhindern.
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Falls
jedoch der Aktuator 12 bei Stillstand der Brennkraftmaschine
oder durch einen Defekt bedingt außer Betrieb gesetzt ist, stellt
sich bedingt durch die Aktuatorfeder 30, das Federelement 19 und
die Anschlagfeder 32 automatisch eine Position des Sperrorgans 9 und
des Axialschiebers 14 ein, in welcher ein Kräftegleichgewicht
zwischen den Federkräften herrscht
und die Axialluftöffnung 7 verschlossen
und der für
den Notluftbetrieb notwendige Notluft-Strömungsquerschnitt der Radialluftöffnung 17 geöffnet bleibt.