-
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, wobei ein Sperrorgan für die Axialluftöffnung und
ein weiteres Sperrorgan für
die Radialluftöffnung
vorgesehen ist und das weitere Sperrorgan gegen das eine Sperrorgan
verstellbar und in eine seiner Endstellungen, gegen das eine Sperrorgan
durch ein Federelement federbelastet 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 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 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 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 die Betätigung der Sperrorgane auf
möglichst
einfache Weise erfolgt.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteile der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung
betätigt
der Aktuator die Sperrorgane mittels einer Nockeneinrichtung mit exzentrischen
Nocken. Ein solcher Nockentrieb ist einfach und kostengünstig aufgebaut.
Außerdem können je
nach Geometrie der Nocken beliebige Öffnungs- und Schließcharakteristiken
der Axialluft- und der Radialluftöffnung eingestellt werden.
-
Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung
möglich.
-
Besonders
bevorzugt ist an einer von einem Antriebsmotor des Aktuators drehbetätigbaren
Nockenwelle wenigstens ein erster Nocken zur Betätigung des einen Sperrorgans
und wenigstens ein zweiter Nocken zur Betätigung des weiteren Sperrorgans
gehalten. Beispielsweise ist dem einen Sperrorgan eine zumindest
teilweise umlaufende erste Nockenfläche zugeordnet ist, innerhalb
welcher der erste Nocken derart zwangsgeführt ist, dass bei zwei gegenläufigen Halbumdrehungen
der Nockenwelle das eine Sperrorgan eine hin- und hergehende Bewegung
ausführt.
Im weiteren kann das weitere Sperrorgan gegen das eine Sperrorgan
durch das am einen Sperrorgan und am weiteren Sperrorgan abgestützte Federelement
federbelastet und mit einer zweiten Nockenfläche derart versehen sein, dass
bei einem Zusammenwirken des zweiten Nockens mit der zweiten Nockenfläche das
weitere Sperrorgan gegen die Wirkung des Federelements von dem einen
Sperrorgan unter Öffnung
oder Vergrößerung des
Strömungsquerschnitts
der Axialluftöffnung
und unter Verkleinerung oder Schließung des Strömungsquerschnitts
der Radialluftöffnung
weg drängbar
ist. Durch die genannten Maßnahmen
kann die Nockenwelle in jeweils nur einer Drehrichtung zum Öffnen bzw.
zum Schließen
der Axialluftöffnung
und der Radialluftöffnung
angetrieben werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, entweder dem axialen
Vollast-Luftstrom anteilig Radialluft beizumengen und hierdurch
die Pumpgrenze zu verschieben, oder den Strömungsquerschnitt der Radialluftöffnung vollständig zu
verschließen,
um die Wirbelverluste zwischen dem rotierenden Verdichterrad und
dem weiteren Sperrorgan zu minimieren.
-
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 gemäß der Erfindung
in einer Leerlaufstellung;
-
2 eine
Draufsicht auf den Verdichter von 1 in der
Leerlaufstellung;
-
3 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 in
einer unteren Teillaststellung;
-
4 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 in
einer oberen Teillaststellung;
-
5 eine
schematische Schnittdarstellung des Verdichters von 1 in
einer Volllaststellung;
-
In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
Der
in 4 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,
das 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 über
einen Diffusor in einen Luftsammelraum 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 5 dargestellten Öffnungsstellung
und einer Schließstellung
(3) zu verschieben ist, in welcher die Axialluftöffnung 7 vollständig abgesperrt
ist und ein Übertritt
von Verbrennungsluft aus dem Luftsammelraum 6 in den Verdichtereinlasskanal 5 über diese
Axialluftöffnung 7 unterbunden
ist. Bei der Überführung von
der axialen Öffnungsposition
bis zum Erreichen der axialen Schließposition legt das Sperrorgan 9 einen
axialen Stellweg 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 5 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 einer Drallströmung,
die einen das Verdichterrad antreibenden Impuls bewirkt. 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 der radial angesaugten Verbrennungsluft einen definierten
Strömungswinkel
aufprägen.
-
Axialschieber 14 und
Drallgitter 17 bilden gemeinsam ein weiteres Sperrorgan, über das
der Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 zwischen einem
in 1 dargestellten minimalen und einem und in 3 dargestellten
maximalen Strömungsquerschnitt
zu verstellen ist. Dieser minimale radiale Strömungsquerschnitt kann auch
gleich Null sein, wie 5 zeigt. Die Verstellung des
Strömungsquerschnitts
der Radialluftöffnung 16 erfolgt
durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 14 in
Pfeilrichtung 18.
-
Der
Axialschieber 14 ist in einem Führungsring 45 verschieblich
gelagert, der wiederum fest mit dem Verdichtergehäuse 22 verbunden
ist. Es kann auch auf den Führungsring 45 verzichtet
werden, da der Axialschieber 14 verdichterradseitig vom
Leitschaufelring 17 und nockenseitig durch den in den Kolben 9 ragenden
Stößel 38 geführt wird.
Eine entsprechende Auslegung der Steuernocken-Kinematik verhindert
ein vollständiges
Austauchen der Leitschaufeln 17 aus den Konturöffnungen 20 des
Axialschiebers 14. Zur Überführung aus
der in 3 dargestellten radialen Öffnungsstellung in die in 5 gezeigte
radiale Schließstellung
wird der Axialschieber 14 entgegen der Federkraft des Federelementes 34 verschoben.
-
In 1 und 3 ist
das eine Sperrorgan 9 axial in seine Schließstellung
verstellt, in welcher die Axialluftöffnung 7 des Verdichtereinlasskanals 5 abgesperrt
ist. Das Sperrorgan 9 ist als Sperrstempel oder Kolben
ausgebildet, wobei in der Sperrstellung die Außenkontur des Sperrorgans 9 die
Außenkontur des
Axialschiebers 14 berührt,
so dass die Axialluftöffnung 7 geschlossen
ist.
-
Erfindungsgemäß betätigt der
Aktuator, beispielsweise ein Elektromotor die Sperrorgane 9, 14, 17 mittels
einer Nockeneinrichtung 24 mit exzentrischen Nocken 26, 28.
Hierzu ist an einer von einem elektrischen Antriebsmotor drehbetätigbaren
Nockenwelle 30 des Aktuators 12 wenigstens ein
erster Nocken 26 zur Betätigung des einen Sperrorgans 9 und
wenigstens ein zweiter Nocken 28 zur Betätigung des
weiteren Sperrorgans 14, 17 gehalten, wobei die
Nockenwelle 30 senkrecht zur Betätigungsrichtung der beiden
Sperrorgane 9, 14, 17 und der erste und
der zweite Nocken 26, 28 auf der Nockenwelle 30 um
180 Grad zueinander versetzt angeordnet sind. Vorzugsweise trägt die Nockenwelle 30 zwei erste
Nocken 26, die einen zweiten Nocken 28 unmittelbar
axial umschließen.
-
Das
eine Sperrorgan 9 umfasst eine zumindest teilweise umlaufende
erste Nockenfläche 32, vorzugsweise
in Form einer inneren Begrenzungsfläche eines im wesentlichen rechteckförmigen Innenraums,
entlang welcher die ersten Nocken 26 derart zwangsgeführt sind,
dass bei einer Halbumdrehung der Nockenwelle 30 das eine
Sperrorgan 9 in eine axiale hin- und hergehende Bewegung
ausführen kann.
-
Das
weitere Sperrorgan 14, 17 ist gegen das eine Sperrorgan 9 durch
das am einen Sperrorgan 9 und am weiteren Sperrorgan 14, 17 abgestützte Federelement 34 federbelastet
und mit einer zweiten Nockenfläche 36 derart
versehen, dass bei einem Zusammenwirken des zweiten Nockens 28 mit
der zweiten Nockenfläche 36 das
weitere Sperrorgan 14, 17 gegen die Wirkung des
Federelements 34 von dem einen Sperrorgan 9 weg
in Richtung einer Öffnung
oder Vergrößerung des
Strömungsquerschnitts der
Axialluftöffnung 7 drängbar ist.
Hierzu weist der Axialschieber 14 beispielsweise einen
in den Kolben 9 ragenden Stößel 38 auf, an dessen
tellerförmigem Kopf 40 die
zweite Nockenfläche 36 ausgebildet
ist. Das Federelement 34 ist dann einerseits am Kolben 9 und
andererseits am Kopf 40 des Stößels 38 abgestützt.
-
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
ein relativ geringer Strömungsquerschnitt
durch die Radialluftöffnung 16 vorhanden
ist, wie der einzelne Strömungspfeil
veranschaulicht. Diese Stellung entspricht auch im wesentlichen
einer Notluft-Stellung, in
welchem der durch die Radialluftöffnung 16 noch vorhandene
Strömungsquerschnitt
auch bei ausgefallener Steuerung oder ausgefallenem Elektromotor noch
einen Notluftbetrieb des Verdichters 1 gewährleistet.
Zum Herbeiführen
der Leerlauf- bzw. Notluftstellung werden die ersten Nocken 26 in
eine rechte Totpunktlage verstellt, um den Kolben 9 in
Richtung Axialschieber 14 zu verstellen, an welchem er
unter vollständigem
Verschluss der Axialluftöffnung 7 anliegt.
Demgegenüber
ist in dieser Stellung der diametral gegenüberliegende zweite Nocken 28 wirkungslos.
Er erstreckt sich in einen Zylinderraum 42 des Verdichtergehäuses 22,
innerhalb dessen der Kolben 9 axial verstellt wird.
-
In 3 ist
dann eine Situation gezeigt, bei welcher zur verbrennungsmotorischen
Lasterhöhung der
Elektromotor weiter bestromt wird, um die Nockenwelle 30 beispielsweise
im Gegenuhrzeigersinn um 90 Grad zu drehen, wodurch der Kolben 9 durch die
Zwangsführung
der ersten Nocken 26 an der inneren Begrenzungsfläche 32 des
rechteckförmigen Innenraums
vom Verdichterrad 2 weg – in 2 nach links – bewegt
wird. Der Axialschieber 14 folgt allerdings dem Kolben 9 unter
Anlage an ihm durch die Wirkung des zwischen dem Axialschieber 14 und dem
Kolben 9 angreifenden Federelements 34. Die Verstellung
des Axialschiebers 14 kann dabei soweit erfolgen, bis er
einen maximalen Strömungsquerschnitt
der Radialluftöffnung 16 freigibt
bzw. bis der Axialschieber 14 gegen seinen Öffnungsanschlag fährt, d.h.,
wenn der Nocken 28 die Anlagefläche 36 des Kopfes 40 berührt.
-
Bei
einer weiteren Lastaufschaltung gemäß 4 wird die
Nockenwelle 30 weiter gegen den Uhrzeigersinn angetrieben
und verschiebt den Kolben 9 über die ersten Nocken 26 weiter
zurück
in den Zylinderraum 42. Gleichzeitig drückt der zweite Nocken 28 gegen
den Kopf 40 des Stößels 38 und schiebt
den Axialschieber 14 gegen das sich verkürzende und
eine Druckfedervorspannkraft erzeugende Federelement 34 in
eine die Radialluftöffnung 16 verschließende Richtung.
Dabei hebt Axialschieber 14 vom Kolben 9 ab, wodurch
ein Strömungsquerschnitt
durch die Axialluftöffnung 7 freigegeben
wird. Folglich wird der Strömungsquerschnitt
durch die Radialluftöffnung 16 verkleinert
und derjenige durch die Axialluftöffnung 7 erzeugt bzw.
vergrößert.
-
In 5 ist
schließlich
die Vollastposition gezeigt, in welcher die Nockenwelle 30 gegenüber der Leerlaufstellung
von 1 um 180 Grad im Gegenuhrzeigersinn gedreht ist.
Der Kolben 9 ist von den ersten Nocken 26 in Richtung
eines Bodens 44 des Zylinderraumes 42 verschoben,
welcher gleichzeitig einen linken Anschlag für den Kolben 9 bilden
kann, so dass der Strömungsquerschnitt
durch die Axialluftöffnung 7 maximal
ist. Hingegen drängt
der zweite, nun in seiner Totpunktlage befindliche Nocken 28 den Stößel 38 maximal
nach rechts und verschiebt somit den Axialschieber 14 in
eine Position, in welcher dieser die Radialluftöffnung 16 vollständig verschließt.
-
Zusammenfassend
kann daher durch eine Halbumdrehung der Nockenwelle 30 in
nur eine Drehrichtung, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn, die
Axialluftöffnung 7 und
die Radialluftöffnung 16 derart
verstellt werden, dass entweder nur die Radialluftöffnung 16 geringfügig (1)
bis vollständig (3)
geöffnet
ist, oder die Axialluftöffnung 7 und die
Radialluftöffnung 16 teilweise
geöffnet
sind (4), oder die Axialluftöffnung 7 vollständig geöffnet und
die Radialluftöffnung 16 vollständig geschlossen
ist (5). Bei Halbdrehung der Nockenwelle 30 aus
dieser Position, beispielsweise im Uhrzeigersinn gelten die oben
genannten Schritte in analoger Weise und in umgekehrter Reihenfolge.