-
Die
Erfindung geht aus von einem Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine,
mit einem in einem axialen Verdichtereinlasskanal eines Verdichtergehäuses drehbar
gelagerten Verdichterrad, mit welchem aus einem Verbrennungsluftkanal
ein dem axialen Verdichtereinlasskanal zugeführter Axialluft-Volumenstrom
auf einen erhöhten
Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem stromauf des Verdichterrades
in den Verdichtereinlasskanal radial einmündenden Zusatzkanal, durch
dessen Mündungsbereich
in den Verdichtereinlasskanal ein Radialluft-Volumenstrom führbar ist,
um durch Zufuhr von Verbrennungsluft das Verdichterrad zu treiben,
wobei der Axialluft-Volumenstrom und/oder der Radialluft-Volumenstrom
mittels wenigstens eines verstellbaren, durch einen Aktuator betätigbaren
Sperrorgans einstellbar ist, gemäß der Gattung
von Anspruch 1.
-
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.
-
Dem
Verdichter genügt
ein einziger Aktuator, um in Abhängigkeit
des aktuellen Last- und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine
sowohl den Kolben im Verdichtereinlasskanal als auch einen Axialschieber
im Mündungsbereich
des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal zu verstellen. Die
Einstellung erfolgt dadurch, dass der Kolben im Verdichtereinlasskanal
in einer definierten Bewegungsphase den Axialschieber im Mündungsbereich
von Zusatzkanal zum Verdichtereinlasskanal beaufschlagt, wodurch
die Stellbewegung des Kolbens auf den Axialschieber übertragen
und dieser verstellt wird. Der Kolben übernimmt somit die zusätzliche
Funktion eines Stellgliedes für
den Axialschieber. Auf einen weiteren Aktuator kann verzichtet werden.
Mit nur einem Aktuator können
beim Verdichter folglich zwei separate Sperrorgane betätigt werden,
was grundsätzlich dadurch
ermöglicht
wird, dass die Einstellung des Kolbens im Verdichtereinlasskanal
und die Einstellung des Axialschiebers im Mündungsbereich des Zusatzkanals
in unterschiedlichen Last- und
Betriebszuständen
erfolgen, denen unterschiedliche Stellbewegungen des Kolbens zugeordnet
werden.
-
Die
Einstellung des Axialschiebers 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 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.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter
der eingangs erwähnten Art
derart weiter zu entwickeln, dass er möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut
ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteile der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung
beinhaltet das Sperrorgan eine Drehschiebereinrichtung mit wenigstens einem,
mindestens eine radiale Durchgangsöffnung aufweisenden Drehschieber,
welcher durch den Aktuator derart drehantreibbar ist, dass durch
den Grad der Überdeckung
der Durchgangsöffnung
mit wenigstens einem Strömungsweg
im Verdichtergehäuse
der Axialluft-Volumenstrom
und/oder der Radialluft-Volumenstrom einstellbar ist. Ein solcher
Drehschiebertrieb kann einfach und kostengünstig aufgebaut werden. Außerdem können je
nach Geometrie der Durchgangsöffnung
beliebige Öffnungs-
und Schließcharakteristiken
eingestellt werden.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung
möglich.
-
Insbesondere
weist die Drehschiebereinrichtung gegeneinander verdrehbare innere
Drehschieber und äußere Drehschieber
auf, wobei der innere Drehschieber innerhalb des äußeren Drehschiebers koaxial
geführt
ist und zumindest ein Teil des Verbrennungsluftkanals durch den
inneren Drehschieber gebildet wird. Weiterhin ist die Mittelachse
der Drehschieber senkrecht zu einer Verdichterlängsachse angeordnet. Dann kann
der Verdichter axial sehr kurz bauen.
-
Darüber sind
die beiden Drehschieber gegeneinander durch Drehanschläge anschlagbar.
Vorzugsweise wird der innere Drehschieber angetrieben und der Drehwinkel
von einer Leerlaufposition in eine Vollastposition der Brennkraftmaschine
beträgt
ungefähr
180 Grad. Dann kann der heute standardmäßig verwendete Antrieb des
Drosselklappenstellers mit einem Drehwinkel von 90 Grad verwendet
werden, wenn eine entsprechende Übersetzungsstufe
vorgesehen wird. Schließlich
sind der innere Drehschieber und der äußere Drehschieber beispielsweise
durch eine in Verdrehrichtung nachgiebige Federeinrichtung miteinander
drehgekoppelt.
-
Gemäß einer
Weiterbildung können
die Sperrorgane zusätzlich
einen den Radialluft-Volumenstrom steuernden, im Verdichtergehäuse linear verschieblichen
Axialschieber beinhalten, welcher durch wenigstens einen der Drehschieber
treibbar ist. In bevorzugter Realisierung dieser Maßnahme wirkt
der äußere Drehschieber
mit dem Axialschieber nach Art eines Ritzel-Zahnstangen-Triebs zusammen,
wobei der Axialschieber gegen wenigstens einen Endanschlag anschlagbar
ist.
-
Dann
können
der innere Drehschieber und der äußere Drehschieber
durch die Federeinrichtung und durch die Drehanschläge miteinander
derart drehkoppelbar sein, dass der innere Drehschieber den äußeren Drehschieber
mitnimmt, wenn er durch den Aktuator angetrieben wird, sich aber
der innere Drehschieber relativ zum äußeren Drehschieber verdrehen
kann, wenn der Axialschieber gegen seinen Endanschlag gefahren ist.
-
Durch
die genannten Maßnahmen
ist ein äußerst einfacher
Aufbau des Verdichters im Hinblick auf die durch ihn ermöglichten
komplexen Steuerungs- und Dosierungsmöglichkeiten von Axial- und Radialluft
gegeben.
-
Weitere
vorteilhafte Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.
-
Zeichnungen
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung
zeigt:
-
1 eine
schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform
eines Verdichters mit einer Drehschiebereinrichtung gemäß der Erfindung
in einer Leerlaufstellung;
-
2 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 in
einer Teillaststellung;
-
3 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 in
einer Volllaststellung;
-
4 eine
schematische perspektivische Darstellung der Drehschiebereinrichtung.
-
In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
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 2 das Verdichterrad 4 im Verdichtergehäuse 6 antreibt,
die drehbar in einem Verdichtereinlasskanal 8 gelagert
ist. Die aus einem vorgelagerten, im Verdichtergehäuse 6 angeordneten
Verbrennungsluftkanal 10 über eine Drehschiebereinrichtung 12 in
den Verdichtereinlasskanal 8 gelangende Verbrennungsluft
wird von den rotierenden Verdichterradschaufeln auf einen erhöhten Ladedruck
verdichtet und radial über
einen Diffusor 14 in einen Luftsammelraum 16 im
Verdichtergehäuse 6 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 4 ist mit
der Längsachse 18 des
Verdichters 1 identisch bzw. mit einer Mittelachse eines
axialen Endabschnitts des Verdichtereinlasskanals 8.
-
Ein
den Verdichtereinlasskanal 8 radial begrenzender Axialschieber 20 ist
im Verdichtergehäuse 6 in
Achsrichtung verschieblich und trennt einen axial verlaufenden,
radial jedoch außerhalb
des Verdichtereinlasskanals 8 angeordneten Zusatzkanal 22 gegenüber dem
Verdichtereinlasskanal 8 ab. Der Zusatzkanal 22 mündet über eine
Radialluftöffnung 24 radial
in Höhe
des Verdichterrades 4 in den Verdichtereinlasskanal 8.
Die über
den Zusatzkanal 22 zugeführte Verbrennungsluft trifft
näherungsweise
radial auf die Verdichterradschaufeln auf und beaufschlagt diese
mit einem beschleunigenden Drall. Zur Verbesserung der Drallwirkung
ist in der Radialluftöffnung 24 ein
Radialleitgitter 26 angeordnet, welches beispielsweise
Leitschaufeln aufweist, die den Strömungsverlauf der auftreffenden
Verbrennungsluft beeinflussen.
-
Der
Axialschieber bildet ein Sperrorgan, über das der Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 24 zwischen
einem in 1 dargestellten minimalen und
einem in 2 gezeigten maximalen Strömungsquerschnitt
zu verstellen ist. Dieser minimale Strömungsquerschnitt kann auch
gleich Null sein. Die Verstellung des Strömungsquerschnitts der Radialluftöffnung 24 erfolgt
durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 20 bezogen
auf die Längsachse 18 des
Verdichters in axialer Richtung.
-
Die
Drehschiebereinrichtung 12 beinhaltet gegeneinander und
gegenüber
dem Verdichtergehäuse 6 verdrehbare
Drehschieber 28, 30 mit radialen Durchgangsöffnungen 32, 34, 36 von
welchen wenigstens ein Drehschieber 28 durch einen Aktuator, vorzugsweise
durch einen Elektromotor derart treibbar ist, dass durch den Grad
der Überdeckung der
Durchgangsöffnungen 32, 34, 36 untereinander und/oder
mit Einmündungen
des Verdichtereinlasskanals 8 und/oder des Zusatzkanals 22 der
Axialluft- Volumenstrom und/oder der Radialluft-Volumenstrom einstellbar
ist.
-
Die
Drehschiebereinrichtung 12 beinhaltet beispielsweise einen
inneren Drehschieber 28 und einen äußeren Drehschieber 30,
wobei der innere Drehschieber 28 innerhalb des äußeren Drehschiebers 30 koaxial
geführt
ist. Vorzugsweise weist der äußere Drehschieber 30 zwei
in etwa diametral gegenüberliegende
Durchgangsöffnungen 32, 34 auf, der
innere Drehschieber 28 aber nur eine einzige Durchgangsöffnung 36.
Weiterhin wird zumindest ein Teil des Verbrennungsluftkanals durch
das Innere 10 des inneren Drehschiebers 28 gebildet,
d.h. die Verbrennungsluft wird dem Verdichter 1 seitlich
zugeführt.
Weiterhin ist der linear verschiebliche Axialschieber 20 durch
den äußeren Drehschieber 30 linear
treibbar, beispielsweise dadurch, dass der äußere Drehschieber 30 mit
dem Axialschieber 20 nach Art eines Ritzel-Zahnstangen-Triebs 42 zusammenwirkt. Ein
Endanschlag 44 begrenzt den Verstellweg des Axialschiebers 20 in Öffnungsrichtung
der Radialluftöffnung 24,
d.h. in 1 nach links.
-
Wie
insbesondere aus 4 hervorgeht, sind der innere
Drehschieber 28 und der äußere Drehschieber 30 durch
eine Federeinrichtung miteinander elastisch drehgekoppelt, insbesondere
durch eine einendseitig am inneren Drehschieber 28 und anderendseitig
am äußeren Drehschieber 30 festgelegte
Schraubenfeder 46. Diese sorgt dafür, dass der innere Drehschieber 28 den äußeren Drehschieber 30 mitnimmt,
wenn Ersterer durch den Aktuator angetrieben wird, sich aber der
innere Drehschieber 28 relativ zum äußeren Drehschieber 30 verdrehen kann,
wenn der Axialschieber 20 gegen den Endanschlag 44 gefahren
ist. Zu sehen sind in 4 auch die sich in der gezeigten
Stellung überdeckenden Durchgangsöffnungen 32, 36 des
inneren und äußeren Drehschiebers 28, 30.
Weiterhin weist der innere Drehschieber 28 eine stirnseitig
nach radial außen ragende
Nase 48 auf, welche in einer sich über einen Teilkreis erstreckenden
Nut 50 am Umfang geführt und
gegen einen Leerlaufanschlag 52 und einen Vollastanschlag 54 anschlagbar
ist, wenn der innere Drehschieber 28 gegenüber dem äußeren Drehschieber 30 verdreht
wird oder umgekehrt.
-
Bezogen
auf eine Strömung
von Verbrennungsluft vom Verbrennungsluftkanal 10 zur Radialluftöffnung 24 bzw.
zum Verdichtereinlasskanal 8 ist die Drehschiebereinrichtung 12 folglich
zwischengeordnet. Je nach Stellung der Drehschieber 28, 30 zueinander
bzw. je nach Stellung der Drehschieber 28, 30 relativ
zu der sich radial an den äußeren Drehschieber 30 anschließenden Einmündung 40 des
Zusatzkanals 22 bzw. zu einer sich radial an den äußeren Drehschieber 30 anschließenden Einmündung 38 des
Verdichtereinlasskanals 8 wird die Größe des dem Verdichtereinlasskanal 8 zugeführten Axialluft-Volumenstroms
bzw. des der Radialluftöffnung 24 zugeführten Radialluft-Volumenstroms
beeinflusst, wobei dieser zusätzlich
von der axialen Stellung des Axialschiebers 20 abhängig ist.
-
Vor
diesem Hintergrund ist die Funktionsweise des Verdichters 1 wie
folgt:
In 1 ist der Verdichter 1 in
der Leerlaufposition der Brennkraftmaschine gezeigt, bei welcher
der Axialschieber 20 durch eine entsprechende Stellbewegung
des äußeren Drehschiebers 30 fast
vollständig über das
Radialleitgitter 26 geschoben ist und folglich nur ein
relativ geringer Strömungsquerschnitt
durch die Radialluftöffnung 24 vorhanden ist.
Diese Stellung entspricht auch im wesentlichen einer Notluft-Stellung,
in welchem der durch die Radialluftöffnung 24 noch vorhandene
Strömungsquerschnitt auch
bei ausgefallener Steuerung oder ausgefallenem Elektromotor noch
einen Notluftbetrieb des Verdichters 1 gewährleistet.
Gleichzeitig liegt die Nase 48 des inneren Drehschiebers 28 am
Leerlaufanschlag 52 an. In dieser Drehstellung überdeckt sich
die eine Durchgangsöffnung 32 des äußeren Drehschiebers 30 mit
der Durchgangsöffnung 36 des inneren
Drehschiebers 28. Zugleich überdecken sich beide Durchgangsöffnungen 32, 36 zumindest
teilweise mit der Einmündung 40 des
Zusatzkanals 22, so dass die im Inneren 10 des
inneren Drehschiebers 28 befindliche Verbrennungsluft über die
Durchgangsöffnungen 32, 36,
den Zusatzkanal 22 und über die
teilweise geöffnete
Radialluftöffnung 24 das
Verdichterrad 4 radial anströmen kann. Hingegen verdeckt
der innere Drehschieber 28 die andere Durchgangsöffnung 34 des äußeren Drehschiebers 30,
so dass der Axialluft-Volumenstrom durch den Verdichtereinlasskanal 8 gleich
Null ist.
-
In 2 ist
dann eine Situation gezeigt, bei welcher zur Lasterhöhung der
innere Drehschieber 28 im Uhrzeigersinn verdreht wird,
beispielsweise durch Bestromung des Elektromotors. Aufgrund der Federkoppelung
wird der äußere Drehschieber 30 im selben
Drehsinn und um etwa den gleichen Drehwinkel mitverdreht. Die Einmündung 40 des
Zusatzkanals 22 bleibt dabei weiterhin maximal geöffnet. Mittels
des Ritzel-Zahnstangen-Triebs 42 wird
der Axialschieber 20 soweit in Öffnungsrichtung der Radialluftöffnung 24 gefahren,
bis er seine Anschlagposition am Endanschlag 44 erreicht
hat und der Strömungsquerschnitt
durch die Radialluftöffnung 24 bzw.
das Radialleitgitter 26 maximal ist. Aufgrund des Formschlusses
des Ritzel-Zahnstangen-Triebs 42 kann dann der äußere Drehschieber 30 nicht
mehr weiter im Uhrzeigersinn verdreht werden. Zwar gibt in dieser Stellung
die andere Durchgangsöffnung 34 des äußeren Drehschiebers 30 die
Einmündung 38 in
den Verdichtereinlasskanal 8 maximal frei, jedoch versperrt
der innere Drehschieber 28 diesen Strömungsweg weiterhin.
-
Bei
einer weiteren Lastaufschaltung gemäß 3 wird der
innere Drehschieber 28 noch weiter im Uhrzeigersinn verdreht.
Da aber der Axialschieber 20 an seinem Endanschlag 44 anliegt
und deshalb auch keine weitere Drehung des äußeren Drehschiebers 30 mehr
möglich
ist, verdreht sich der innere Drehschieber 28 relativ zum äußeren Drehschieber 30 entgegen
der Federkraft der Schraubenfeder 46 bis seine Nase 48 am
Vollastanschlag 54 des festgelegten äußeren Drehschiebers 30 anschlägt. Während dieser
Relativdrehung des inneren Drehschiebers 28 zum äußeren Drehschieber 30 erfolgt
eine Umsteuerung von der bisher rein radialen Anströmung des
Verdichterrades 4 über
die Radialluftöffnung 24 zu
einer ausschließlichen
Anströmung
durch einen maximalen Axialluft-Volumenstrom,
weil der innere Drehschieber 28, trotz vollständig geöffneter Radialluftöffnung 24 die
zur Einmündung 40 des
Zusatzkanals 22 weisende eine Durchgangsöffnung 32 des äußeren Drehschiebers 30 verschließt und die andere,
zur Einmündung 38 des
Verdichtereinlasskanals 8 weisende Durchgangsöffnung 34 des äußeren Drehschiebers 30 vollständig freigibt.
Die Anströmung
des Verdichterrades 4 erfolgt bei Volllast der Brennkraftmaschine
folglich ausschließlich
durch den Axialluft-Volumenstrom durch den Verdichtereinlasskanal 8 hindurch.
Der gesamte Drehwinkel des inneren Drehschiebers 28 von
der Leerlaufposition in die Vollastposition beträgt ungefähr 180 Grad.
-
Bei
abnehmender Last sind die genannten Schritte in analoger weise,
jedoch mit umgekehrter Drehrichtung des inneren Drehschiebers 28 durchzuführen. Im
einzelnen wird dabei ausgehend von der in 3 gezeigten
Vollastposition der innere Drehschieber 28 gegen den Uhrzeigersinn
solange verdreht, bis seine Nase 48 unter Verringerung
der Spannung der Schraubenfeder 46 an dem Leerlaufanschlag 52 anschlägt. Dadurch
wird der Axialluft-Volumenstrom reduziert bzw. vollständig zum
Erliegen gebracht und der Radialluft-Volumenstrom erzeugt bzw. erhöht. wenn
der innere, am Leerlaufanschlag anliegende Drehschieber 28 nun
weiter im Gegenuhrzeigersinn verdreht wird, so nimmt er den äußeren Drehschieber 30 mit,
wodurch der Axialschieber 20 über die Radialluftöffnung 24 geschoben und
der Radialluft-Volumenstrom
bis zu einem geringen, im Leerlauf vorhandenen Volumenstrom reduziert
wird.