DE102004035044A1 - Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Verdichters - Google Patents

Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betrieb eines Verdichters Download PDF

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Abstract

Ein Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine weist in einem Verdichtereinlasskanal (19) ein drehbar gelagertes Verdichterrad (8) auf, dem ein koaxial angeordnetes Vorsatzläuferrad (10) vorgelagert ist. Das Vorsatzläuferrad (10) ist axial zwischen einer Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad (8) und einer Entkopplungsstellung zu verstellen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verdichters.
  • In der Druckschrift DE 100 61 847 A1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, der eine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnete Abgasturbine und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter umfasst, wobei dem Verdichterrad des Verdichters ein separat ausgebildeter und koaxial angeordneter Vorsatzläufer im Verdichtereinlasskanal vorgelagert ist. Dieser Vorsatzläufer soll das Betriebsverhalten des Verdichters positiv beeinflussen, indem die Pumpgrenze des Verdichters in Richtung kleinerer Volumenströme sowie die Stopfgrenze in Richtung größerer Volumenströme verschoben wird. Der unabhängig vom Verdichterrad rotierende Vorsatzläufer wird von einem Elektromotor angetrieben.
  • Aus der Druckschrift DE 100 49 198 A1 ist es bekannt, im Verdichtereinlasskanal eines Verdichters stromauf des Verdichterrades ein einstellbares Sperrglied zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Querschnittes des Einlasskanals anzu ordnen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Querschnitt des Verdichtereinlasskanals variabel einstellbar ist, wodurch das Betriebsverhalten des Verdichters ebenfalls manipuliert werden kann. So ist es insbesondere möglich, die Strömungsgeschwindigkeit und den Drall der zugeführten Verbrennungsluft zu beeinflussen, beispielsweise die Strömungseintrittsgeschwindigkeit der zugeführten Luft durch eine Verengung des Querschnitts zu erhöhen. Bei niedriger Last und Drehzahl kann der Verdichter als luftgetriebene Turbine (so genannter Kaltluft-Turbinen-Betrieb) eingesetzt werden, indem ein Druckgefälle über dem Verdichter zum Antrieb des Verdichterrades ausgenutzt wird. Dieses Druckgefälle entspricht einer Drosselung im Ansaugtrakt, was den Vorteil bietet, dass die Brennkraftmaschine grundsätzlich ohne Drosselklappe betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Laderdrehzahl auch bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf einem Mindestniveau gehalten werden kann.
    •
  • Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, das Betriebsverhalten eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine weiter zu verbessern. Es soll insbesondere ein rascher Ladedruckaufbau auch im niederen Last- und Drehzahlbereich gewährleistet sein.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei dem Verdichter mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei dem Verfahren zum Betrieb des Verdichters mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter ist das Vorsatzläuferrad axial zwischen einer Kopplungsstellung und einer Entkopplungsstellung zu verstellen, wobei in Kopplungsstellung das Vorsatzläuferrad drehfest mit dem Verdichterrad verbunden ist, wohingegen in Entkopplungsstellung das Verdichterrad unabhängig vom Vorsatzläuferrad umlaufen kann. Hierdurch ist es möglich, situationsbedingt eine Kopplung zwischen Vorsatzläuferrad und Verdichterrad herzustellen und gegebenenfalls auch wieder aufzuheben. Insbesondere bei niedrigen Motorlasten und niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen wird das Vorsatzläuferrad mit dem Verdichterrad kinematisch gekoppelt, sodass Vorsatzläuferrad und Verdichterrad drehfest umlaufen. Das Vorsatzläuferrad kann mit einer turbinenradähnlichen Beschaufelung ausgestattet sein und auch ohne externen Antrieb allein über die herangeführte Verbrennungsluft einen zusätzlichen Antriebsdrall erzeugen, welcher aufgrund der kinematischen Kopplung auch auf das Verdichterrad übertragen wird. Bereits bei niedrigen Lasten und Drehzahlen wird ein vergleichsweise hohes Drehzahlniveau des Rotors des Abgasturboladers erreicht und der Ladedruckaufbau insbesondere bei niederen Lasten und Motordrehzahlen positiv beeinflusst, wodurch das transiente Verhalten der Brennkraftmaschine verbessert wird. Bei höheren Lasten und Drehzahlen wird dagegen das Vorsatzläuferrad vom Verdichterrad entkoppelt, so dass die Verbrennungsluft ohne Hindernis im Strömungsweg unmittelbar auf das Verdichterrad auftrifft.
  • Außerdem wird mithilfe des Vorsatzläuferrades das Verdichterkennfeld zugunsten höherer Stopfgrenzen und niedrigerer Pumpgrenzen verbreitert.
  • Eine signifikante Steigerung des Antriebsdralls kann dadurch erzielt werden, dass im Bereich des anströmenden Querschnittes des Vorsatzläuferrades ein einstellbares Leitgitter angeordnet ist, mit dessen Hilfe der wirksame Anströmquerschnitt zum Vorsatzläuferrad veränderlich einzustellen ist. Das Leitgitter separiert die Anströmseite von der Abströmseite des Vorsatzläuferrades, wobei über eine entsprechende Einstellung des Leitgitters, insbesondere bei Überführung des Leitgitters in die den wirksamen Querschnitt minimierende Staustellung, ein hohes Druckgefälle zwischen Anström- und Abströmseite des Vorsatzläuferrades erzielt werden kann, wodurch die Luftströmung begünstigt wird. Die zwischen der Beschaufelung des Leitgitters hindurchströmende Verbrennungsluft weist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit auf, sodass die auf die Beschaufelung des Vorsatzläuferrades auftreffende Luft diesem einen Antriebsdrall aufprägt. Das Vorsatzläuferrad und damit auch das mit dem Vorsatzläuferrad gekoppelte Verdichterrad werden daraufhin beschleunigt bzw. auf einem verhältnismäßig hohen Drehzahlniveau gehalten.
  • Das Vorsatzläuferrad ist zweckmäßig als Turbinenrad ausgeführt, welches insbesondere radial angeströmt wird. Beim Passieren des Turbinenrades im Verdichter entspannt die Verbrennungsluft und verlässt das Turbinenrad axial. Im weiteren Strömungsverlauf trifft die entspannte Luft über die axiale Stirnseite auf das Verdichterrad und wird von diesem komprimiert und radial über einen Diffusor in einen Sammelraum abgeleitet und schließlich den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt. Das Turbinenrad im Verdichter lässt sich auf sehr hohe Druckverhältnisse und niedere Schnelllaufzahlen mit optimalem Wirkungsgrad auslegen. Die Radbeschaufelung wird vorteilhaft wie bei einer Mixed-Flow-Turbine, insbesondere einer Gleichstromturbine gestaltet. Im Falle einer Gleichstromturbine erfolgt die Druckexpansion während des Passierens des vorgeschalteten Leitgitters, wobei die hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Turbine antreiben und während des Passierens der Turbine eine Richtungsänderung erfahren.
  • Die Turbinenbeschaufelung des Vorsatzläuferrades ist zweckmäßig im Eintrittsbereich rückwärts zur Drehrichtung orientiert und weist relativ kleine Schaufeleintrittswinkel auf.
  • Das Vorsatzläuferrad ist vorteilhaft axial im Verdichtereinlasskanal verschieblich gelagert und wird mithilfe eines Stellglieds zwischen seiner Kopplungsstellung und seiner Entkopplungsstellung verschoben. Dieses Stellglied dient zweckmäßig auch zur Einstellung des Leitgitters, welches der Anströmseite des Vorsatzläuferrades vorgelagert ist. Bevorzugt wird bei einer Annäherung des Vorsatzläuferrades an das Verdichterrad zunächst das Vorsatzläuferrad in die Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad verstellt und anschließend, bei einer weiteren Annäherungsbewegung in Richtung Verdichterrad, das Leitgitter von seiner maximalen Öffnungsstellung in die minimale Staustellung überführt. Um diese beiden Bewegungen mit nur einem gemeinsamen Stellglied ausführen zu können, ist einerseits das Vorsatzläuferrad über ein Federelement mit einem Koppelelement verbunden, welches in Kopplungsstellung drehfest mit dem Verdichterrad verbunden ist, wobei bei Annäherung an das Verdichterrad der Relativabstand zwischen Koppelelement und Vorsatzläuferrad gegen die Kraft des Federelementes verringert wird. Andererseits ist das vorgelagerte Leitgitter in Staustellung in einer Matrize aufzunehmen, wobei zwischen Matrize und Leitgitter ebenfalls ein Federelement angeordnet ist, welches das Leitgitter in Richtung Öffnungsstellung beaufschlagt. Sowohl das Vorsatzläuferrad als auch die Matrize werden unmittelbar von dem Stellelement verstellt. Bei Annäherung an das Verdichterrad wird zunächst der Relativabstand zwischen dem Koppelelement und dem Vorsatzläuferrad verringert. Anschließend wird das Leitgitter in die Matrize eingeschoben, wodurch das Leitgitter aus der maximalen Öffnungsstellung in die minimale Staustellung überführt wird. Das Leitgitter ist zweckmäßig an einem Konturring gehalten, der bei einem Verfahren des Stellelementes an einer Kanalwandung des Verdichtereinlasskanals anschlägt und sich dort abstützt.
  • Für die Kopplung zwischen dem Vorsatzläuferrad und dem Verdichterrad reicht es grundsätzlich aus, dass das Koppelelement als Reibkegel ausgebildet ist, der in Kopplungsposition in Reibkontakt mit dem Verdichterrad steht. Die zwischen dem Reibkegel und dem Verdichterrad herrschende Reibung übersteigt hierbei die in Umfangsrichtung zwischen diesen beiden Bauteilen auftretenden Beschleunigungskräfte.
  • Gegebenenfalls kommt aber auch ein Formschluss zwischen dem Vorsatzläuferrad bzw. dem Koppelelement und dem Verdichterrad in Betracht.
    •
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei der Verdichter im Abgasturbolader zusätzlich zum Verdichterrad ein axial verstellbares Vorsatzläuferrad aufweist,
  • 2 einen Schnitt durch den Verdichter mit dem Vorsatzläuferrad in Entkopplungsstellung,
  • 3 eine 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Vorsatzläuferrad in Kopplungsstellung und einem vorgelagerten Leitgitter in Betriebsstellung mit maximal freigegebenem Querschnitt,
  • 4 das Vorsatzläuferrad in weiter angenäherter Position an das Verdichterrad und das Leitgitter in seiner den Querschnitt minimierenden Staustellung,
  • 4a eine Ausschnittvergrößerung der Beschaufelung des Vorsatzläuferrades,
  • 4b die Beschaufelung des Vorsatzläuferrades in Draufsicht,
  • 5 einen Schnitt durch einen Verdichter in einer alternativen Ausführung.
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine – ist ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 sowie einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Abgasturbine 3 von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Drehung des Turbinenrades wird über eine Welle 9 auf das Verdichterrad 8 im Verdichter 5 übertragen, in welchem aus der Umgebung herangeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird im Ansaugtrakt 6 zunächst in einem Ladeluftkühler 13 gekühlt und anschließend unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt.
  • Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 7 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes ausgestattet. Mithilfe der variablen Turbinengeometrie 7 kann das Verhalten der Abgasturbine sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motorbremsbetrieb verbessert werden.
  • Der Verdichter 5 des Abgasturboladers 2 weist zusätzlich zu dem Verdichterrad 8 ein axial vorgelagertes Vorsatzläuferrad 10 auf. Das Vorsatzläuferrad 10 ist axial verschieblich im Verdichter 5 angeordnet. Das Vorsatzläuferrad 10 wird von einem Stellglied 11 beaufschlagt und kann eine mit dem Pfeil 12 dargestellte axiale Stellbewegung ausführen. Hierbei ist das Vorsatzläuferrad 10 zwischen einer Kopplungsstellung, in welcher Vorsatzläuferrad und Verdichterrad kinematisch drehgekoppelt sind, und einer Entkopplungsstellung zu verstellen, in welcher das Verdichterrad 8 unabhängig vom Vorsatzläuferrad 10 umlaufen kann. Die Funktion und Betriebsweise des Verdichters 5 wird in nachfolgenden Figuren beschrieben.
  • Des Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführeinrichtung 14 zugeordnet, welche eine Rückführleitung 15 zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 13 umfasst. In der Rückführleitung 15 ist ein einstellbares Rückführventil 16 sowie ein Abgaskühler 17 angeordnet. Über die Abgasrückführeinrichtung 14 wird insbesondere im Teillastbetrieb ein Teil des Abgasmassenstromes in den Ansaugtrakt rückgeführt, wodurch die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden können.
  • Sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine sind über Steuer- und Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit 18 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie der Aggregate einzustellen. Dies betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 7, das Stellglied 11 im Verdichter 5 sowie das Rückführventil 16 in der Abgasrückführeinrichtung 14.
  • Wie der Schnittdarstellung nach 2 zu entnehmen, ist dem Verdichterrad 8 im Verdichtereinlasskanal 19 das Vorsatzläuferrad 10 axial vorgelagert, welches axial verschieblich gehalten ist. Hierfür ist das Vorsatzläuferrad 10 mit dem Stellglied 11 gekoppelt, das gemäß Pfeil 12 axial verschoben werden kann. Das Vorsatzläuferrad 10 ist aus der in 2 dargestellten Entkopplungsstellung in eine Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 zu verschieben (3 bis 5), in welcher das Verdichterrad 8 und das Vorsatzläuferrad 10 drehfest miteinander verbunden sind. Die Kopplung wird mithilfe eines Koppelelementes 26 hergestellt, welches zwischen Vorsatzläuferrad 10 und Verdichterrad 8 angeordnet ist und axial unverlierbar am Vorsatzläuferrad 10 gehalten und gemeinsam mit diesem zu verstellen ist, jedoch gegenüber dem Vorsatzläuferrad 10 eine axiale Relativbewegung ausführen kann. Zwischen dem Koppelelement 26 und dem Vorsatzläuferrad 10 ist ein Federelement 27 gespannt, welches das Koppelelement 26 vom Vorsatzläuferrad 10 wegdrückt. Über einen Anschlag 28 ist ein Formschluss zwischen Koppelelement 26 und Vorsatzläuferrad 10 hergestellt, so dass beide Bauteile unverlierbar aneinander gehalten sind, wobei der Anschlag 28 zugleich eine maximale Verstellposition zwischen diesen beiden Bauteilen markiert. In Kopplungsstellung greift die freie Stirnseite des Koppelelementes 26 in die Stirnseite 29 des Verdichterrades 8 drehfest ein. Zweckmäßig ist das Koppelelement 26 als Reibkegel ausgeführt, sodass die Drehkopplung über Reibung hergestellt wird. Die Reibkraft ist hierbei größer als die bei der Drehbeschleunigung in Umfangsrichtung auftretenden Kräfte.
  • Das Vorsatzläuferrad 10 ist nach Art eines Turbinenrades aufgebaut und besitzt radial außen liegende Schaufeln 20, welche die Anströmseite des Vorsatzläuferrades markieren.
  • Den Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10 ist ein radial umgreifendes Leitgitter 21 vorgelagert, welches fest an einem Konturring 22 gehalten ist. Das Leitgitter 21 ist in eine Matrize 23 einfahrbar, welche fest mit dem Stellglied 11 verbunden ist. Der Konturring 22 ist an Führungsbolzen 24, welche sich achsparallel zur Längsachse des Verdichters erstrecken, gehalten, wobei die Führungsbolzen unverlierbar, jedoch relativbeweglich mit der Matrize 23 gekoppelt sind. Die Führungsbolzen 24 sind von Federelementen 25 umgriffen, welche als Druckfeder ausgebildet sind und sich einenends am Konturring 22 und anderenends an einem Absatz der Matrize 23 abstützen und den Konturring 22 sowie das Leitgitter 21 in die in 2 gezeigte maximale Öffnungsstellung des Leitgitters 21 beaufschlagen, in der der wirksame Eintrittsquerschnitt durch das Leitgitter einen Maximalwert einnimmt.
  • In 2 ist das Vorsatzläuferrad 10 in seiner Entkopplungsposition dargestellt, in welcher keine Verbindung mit dem Verdichterrad 8 gegeben ist; das Koppelelement 26 liegt auf Abstand zur Stirnseite des Verdichterrades. Die Entkopplungsposition ist gleich bedeutend mit einer Außerfunktionsposition. Auch das Leitgitter 21 befindet sich in der Entkopplungsstellung in Außerfunktionsposition.
  • In der Außerfunktionsposition liegt der Konturring 22 mit Abstand zu einer gehäuseseitigen Kanalwandung 30. Hierdurch wird ein halbaxialer Strömungsweg im Verdichtereinlasskanal freigegeben, über den Verbrennungsluft in Pfeilrichtung 31 unter Umgehung des Leitgitters 21 und des Vorsatzläuferrades 10 der Stirnseite des Verdichterrades 8 direkt zuzuführen ist. Diese Betriebsweise wird bei höheren Motorlasten und Motordrehzahlen durchgeführt, in welcher das Verdichterrad 8 über die Welle von dem Turbinenrad der Abgasturbine angetrieben wird.
  • Bei niedrigeren Lasten und Drehzahlen wird das Vorsatzläuferrad 10 in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 verbracht; zugleich wird der Konturring 22 auf Kontakt zur Kanalwandung 30 verstellt, wobei für einen strömungsdichten Abschluss im Konturring 22 ein Dichtring 32 aufgenommen ist, der in unmittelbaren Kontakt zur Kanalwandung 30 gelangt. Der halbaxiale Strömungsweg ist in diesem Fall geschlossen, so dass die Verbrennungsluft den Weg über das Leitgitter und das Vorsatzläuferrad nehmen muss.
  • Die Matrize 23 und das Vorsatzläuferrad 10 sind von dem Stellglied 11 axial in Pfeilrichtung 12 zu verstellen, wobei das Vorsatzläuferrad 10 gegenüber dem Stellglied 11 sowie dem Leitgitter 21 und den weiteren, damit zusammenhängenden Bauteilen drehbar gelagert ist und frei rotieren kann. Zwischen dem Radrücken des Vorsatzläuferrades 10 und einer Wandung eines Gehäuseabschnittes 33, welcher auch Träger der Matrize 23 ist und von dem Stellglied 11 beaufschlagt wird, ist ein schmales Puffervolumen gebildet, welches mit dem Druck des Sammelraums im Verdichtereinlasskanal stromauf des Vorsatzläuferrades beaufschlagt wird, um ein Heraussaugen von Schmieröl zu verhindern.
  • In 3 ist das Vorsatzläuferrad 10 in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 gezeigt, in der das Koppelelement 26 im Bereich der Stirnseite mit dem Verdichterrad 8 drehfest verbunden ist. In dieser Position liegt auch der Konturring 22 mit dem Dichtring 32 an der Kanalwandung 30 an, sodass dieser Strömungsweg verschlossen ist. Zugleich befindet sich das Leitgitter 21 in seiner maximal aus der Matrize 23 herausgeschobenen Position, die der maximalen Öffnungsstellung des Leitgitters entspricht. Die Strömung erfolgt gemäß Pfeilrichtung 31 radial über das Leitgitter 21 auf die Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10, welches von der durchströmenden Luft angetrieben wird, wobei die Drehbewegung des Vorsatzläuferrades 10 über das Koppelelement 26 auf das Verdichterrad 8 übertragen wird. Diese Position nimmt das Vorsatzläuferrad 10 sowie das Leitgitter 21 bei niedrigen Motorlasten und mittleren Motordrehzahlen ein. Das Druckverhältnis im Verdichtereinlasskanal stromauf vom Leitgitter 21 zu der Stelle stromab des Vorsatzläuferrades 10 beträgt mindestens zwei, was bedeutet, dass stromauf des Leitgitters der Druck mindestens doppelt so groß ist wie stromab des Vorsatzläuferrades im Bereich der Strömungseintrittskante des Verdichterrades.
  • Auch in der Darstellung nach 4 befindet sich das Vorsatzläuferrad 10 in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8, wobei das Vorsatzläuferrad 10 und das Koppelelement 26 beinahe vollständig zusammengeschoben sind. Der Konturring 22 liegt mit dem Dichtring 32 dichtend an der Kanalwandung 30 an. Durch das Leitgitter 21 ist lediglich ein schmaler axialer Spalt freigegeben, durch den Verbrennungsluft hindurchströmt und radial auf die Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10 auftrifft. Das Leitgitter 21 ist weitgehend in die Matrize 23 eingeschoben und befindet sich somit in seiner den wirksamen Anströmquerschnitt reduzierenden Stauposition. In dieser Stellung herrscht ein starkes Druckgefälle im Verdichtereinlasskanal 19 zwischen dem Bereich stromauf des Leitgitters 21 und dem Bereich stromab der Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10. Zweckmäßig beträgt das Druckverhältnis mindestens vier, was bedeutet, dass stromauf des Leitgitters 21 ein mindestens viermal so hoher Druck herrscht wie stromab. Diese Betriebsweise wird auch als Kaltluft-Turbinenbetriebsweise bezeichnet, welche sich nahe des Motorleerlauf-Drehzahlbereiches einstellt.
  • In den 4a und 4b ist die Radbeschaufelung des Vorsatzläuferrades dargestellt. Wie 4a zu entnehmen, sind die Schaufeln 20 im Eintrittsbereich rückwärts zur Drehrichtung n mit einem relativ kleinen Schaufeleintrittswinkel β ausgebildet, der sich zwischen einer Tangenten zum Umfang der Beschaufelung und einem Strömungsgeschwindigkeitsvektor wopt einstellt, wobei der Strömungsgeschwindigkeitsvektor wopt die optimale Anströmung kennzeichnet. Der Schaufeleintrittswinkel β beträgt beispielsweise etwa 15°.
  • Aus 4b ist zu entnehmen, dass die Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades rückwärts gekrümmt sind.
  • In 5 ist ein Verdichter 5 in einer modifizierten Ausführung dargestellt. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist der Verdichter nach 5 ein zweites Leitgitter 34 auf, welches als Festgitter ausgebildet ist und ebenfalls fest am Konturring 22 gehalten ist. Das erste Leitgitter 21, welches in Ausnehmungen in der Matrize 23 einfahrbar ist, verläuft parallel zur Rotationsachse des Verdichters, wohingegen sich das zweite Leitgitter 34 in Radialrichtung erstreckt. Das zweite Leitgitter 34 befindet sich auf der Unterseite des Konturringes 22 und ist dem Vorsatzläuferrad 10 zugewandt. Bei einer Schließbewegung des Stellglieds 11 in Richtung auf das Verdichterrad 8 wird zunächst das Leitgitter 21 aus seiner Öffnungsposition in die Stauposition versetzt. Zugleich nähern sich das zweite, feste Leitgitter 34 und das Vorsatzläuferrad 10 an, wobei das Leitgitter 34 zur Anlage an einer äußeren Ringschulter im axialen Strömungsaustrittsbereich des Vorsatzläuferrades 10 gelangt. Sobald das erste Leitgitter 21 in seine Stauposition versetzt ist, liegt auch das zweite Leitgitter 34 im Strömungsweg der durchströmenden Verbrennungsluft. Während des Passierens des zweiten Leitgitters 34 erfährt die durchströmende Verbrennungsluft einen Drall, unter dem die Luft auf die Schaufeln des Verdichterrades 8 auftrifft. Diese Position wird insbesondere im niederen Lastbereich eingestellt, in welchem kein Ladedruck erzeugt werden und das Verdichterrad 8 die Funktion eines Niederdruck-Turbinenrades ausüben soll.

Claims (14)

  1. Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einem Verdichtereinlasskanal (19) des Verdichters (5) drehbar gelagerten Verdichterrad (8), dem ein koaxial angeordnetes Vorsatzläuferrad (10) vorgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzläuferrad (10) axial zwischen einer Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad (8) und einer Entkopplungsstellung zu verstellen ist, wobei in Kopplungsstellung das Verdichterrad (8) und das Vorsatzläuferrad (10) drehfest verbunden sind und in Entkopplungsstellung das Vorsatzläuferrad (10) vom Verdichterrad (8) entkoppelt ist.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdichtereinlasskanal (19) ein einstellbares Leitgitter (21) zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Anströmquerschnitts zum Vorsatzläuferrad (10) angeordnet ist.
  3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames Stellglied (11) zur Verstellung des Vorsatzläuferrades (10) und zur Einstellung des Leitgitters (21) vorgesehen ist.
  4. Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) im Verdichtereinlasskanal (19) axial verschieblich angeordnet ist.
  5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (11) bei Annäherung an das Verdichterrad (8) zunächst das Vorsatzläuferrad (10) von Entkopplungs- in Kopplungsstellung verstellt und anschließend das Leitgitter (21) zwischen maximaler Öffnungsstellung und minimaler Staustellung verstellt.
  6. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (21) an einem Konturring (22) gehalten ist, der in Kontakt mit einer Kanalwandung (30) des Verdichtereinlasskanals (19) verfahrbar ist.
  7. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitgitter (21) in Staustellung in einer Matrize (23) aufgenommen ist, wobei zwischen Matrize (23) und Leitgitter (21) ein Federelement (25) gehalten ist, das das Leitgitter (21) in die Öffnungsstellung kraftbeaufschlagt.
  8. Verdichter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum ersten Leitgitter (21) ein zweites Leitgitter (34) im Verdichtereinlasskanal (19) vorgesehen ist, das zwischen dem Vorsatzläuferrad (10) und dem Verdichterrad (8) angeordnet ist.
  9. Verdichter nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitgitter (34) am Konturring (22) gehalten ist.
  10. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzläuferrad (10) als radial anströmbares Turbinenrad ausgebildet ist.
  11. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsatzläuferrad (10) mit einem Koppelelement (26) verbunden ist, das in Kopplungsstellung drehfest mit dem Verdichterrad (8) gekoppelt ist.
  12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Koppelelement (26) und Vorsatzläuferrad (10) relativ zueinander axial verschieblich sind und zwischen Koppelelement (26) und Vorsatzläuferrad (10) ein Federelement (27) angeordnet ist.
  13. Verdichter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Koppelelement (26) als Reibkegel ausgebildet ist, der in Kopplungsstellung in Reibkontakt mit dem Verdichterrad (8) steht.
  14. Verfahren zum Betrieb eines Verdichters nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem dem Vorsatzläuferrad (10) vorgelagerten und verstellbaren Leitgitter (21), wobei – bei niedrigen Motorlasten und niedrigen Motordrehzahlen das Vorsatzläuferrad (10) in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad (8) versetzt und das Leitgitter (21) in Staustellung überführt wird, – bei niedrigen Motorlasten und mittleren Motordrehzahlen das Vorsatzläuferrad (10) in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad (8) versetzt und das Leitgitter (21) in Öffnungsstellung überführt wird, – bei hohen Motorlasten das Vorsatzläuferrad (10) von dem Verdichterrad (8) entkoppelt wird.
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