DE102004039299A1

DE102004039299A1 - Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004039299A1
Application number: DE102004039299A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Lepperhoff; Knut Dr. Ing. Habermann
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichtereinlauf (3), einem Verdichterrad (1) und einem Luftauslaß (4) für verdichtete Luft sowie mit einer verstellbaren Einlaufdralleinrichtung im Bereich des Verdichtereinlaufs, wobei die Einlaufdralleinrichtung eine lastgesteuerte Einrichtung (6, 6a, 7) zum tangentialen Zuführen von Ansaugluft zum Verdichterrad (1) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei PKW- und LKW-Motoren bestehen aufgrund der engen Platzverhältnisse Restriktionen hinsichtlich einer strömungsoptimierten Luft- und Abgasführung. Dies gilt vor allem bei aufgeladenen Motoren unabhängig davon, ob ein Ladeluftkühler vorhanden ist oder nicht. Diese engen Platzverhältnisse resultieren häufig in der Verwendung von Rohrbögen kurz vor dem Verdichtereinlauf. Diese führen allerdings dazu, daß sich quer zur Strömungsrichtung gesehen eine unsymmetrische Strömung am Verdichtereinlauf ergibt.

Um auch im Teillastbetrieb möglichst gute Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine zu erreichen, ist es bekannt, Einlaufdralleinrichtungen umfassend im Verdichtereinlauf vor einer düsenförmigen Verengung hiervon angeordnete, gemeinsam verstellbare Leitschaufeln zu verwenden, vgl. z.B. DE 3 613 857 A1 , durch die der Axialdrall in Abhängigkeit vom Verdichterkennfeld angepaßt wird. Diese Einlaufdralleinrichtungen sind symmetrisch ausgebildet und daher nicht in der Lage, die unsymmetrische Verdichterradanströmung mit ihrem negativen Wirkungsgradeinfluß wesentlich zu kompensieren, abgesehen davon, daß eine derartige Anordnung von verstellbaren Leitschaufeln eine aufwendige Konstruktion darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der es ermöglicht, den negativen Wirkungsgradeinfluß von einem dem Turboverdichtereinlauf vorgeschalteten Rohrkrümmer wenigstens teilweise zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung betrifft daher einen Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichtereinlauf, einem Verdichterrad und einem Luftauslaß für verdichtete Luft sowie mit einer verstellbaren Einlaufdralleinrichtung im Bereich des Verdichtereinlaufs, bei dem die Einlaufdralleinrichtung eine gegebenenfalls lastgesteuerte Einrichtung zum tangentialen Zuführen von Ansaugluft zum Verdichterrad aufweist. Hierdurch kann vorzugsweise lastabhängig, d.h. sowohl im Teillast- als auch im Vollastbetrieb durch weitgehende Symmetrisierung der das Verdichterrad anströmenden Luft bezüglich der Achse des Verdichtereinlaufs bzw. -rads der Verdichterwirkungsgrad erhöht und der nachteilige Einfluß eines Rohrkrümmers vor dem Verdichtereinlauf im wesentlichen eliminiert werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt schematisch im Schnitt einen Turboverdichter eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in Seitenansicht.
2 zeigt schematisch den Turboverdichter von 1 in Draufsicht auf das Verdichterrad.
3 zeigt schematisch im Schnitt die mit Bohrungen versehene Wandung des Gehäuses eines Verdichtereinlaufs für den Turboverdichter von 1, 2.
4 zeigt schematisch eine Stirnansicht einer Anordnung von feststehenden Leitschaufeln für einen Turboverdichter.
5 und 6 zeigen jeweils einen Axialschnitt eines Verdichtereinlaufs mit einer Klappenausführungsform für einen Turboverdichter im Vollast- und Teillastbetrieb.
7 zeigt eine Draufsicht auf die Klappenausführungsform von 5.
Die schematisch in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform eines Turboverdichters eines Abgasturboladers umfaßt ein Schaufeln aufweisendes Verdichterrad 1, das mit einem nicht dargestellten, Abgas getriebenen Turbinenrad des Abgasturboladers auf derselben Achse 2 angeordnet ist. Der Turboverdichter umfaßt ferner eintrittsseitig einen mit einem Rohrkrümmer 3a einer Luftzuführleitung verbindbaren oder verbundenen Verdichtereinlauf 3 etwa in Form eines Zuführstutzens und austrittsseitig einen das Verdichterrad 1 abdeckenden Luftauslaß 4 in Form einer Schnecke, die sich in Richtung zu einer stromabwärtigen Drosselklappe 5 der Brennkraftmaschine diffusorartig erweitert.
Beispielsweise von einem nicht dargestellten Luftfilter kommende, zur Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine benötigte Luft, deren Menge über die Drosselklappe 5 gesteuert wird, tritt über den Verdichtereinlauf 3 in den Turboverdichter ein und verdichtet über den Luftauslaß 4 aus.
Vom Eintrittsbereich des Verdichtereinlaufs 3 führt eine ringförmige Bypassleitung 6 zum Verdichterrad 1 und mündet über eine Reihe von symmetrisch auf dem Kreisumfang angeordneten Bohrungen 6a unmittelbar vor dem Verdichterrad 1 oder am Umfang im Verdichterradbereich. Die Bohrungen 6a verlaufen im wesentlichen tangential zum Verdichterrad 1. Im Verdichtereinlauf 3 selbst ist eine verstellbare Klappe 7 angeordnet. Die Klappe 7 zweigt entsprechend ihrer Stellung einen Teil der anströmenden Luft in die Bypassleitung 6 ab. Hierdurch entstehen ein axialer und ein tangentialer Teilstrom (in Bezug auf das Verdichterrad 1 gesehen), deren Verhältnis durch die Klappe 7 gesteuert wird. Infolge des Ausströmens der angesaugten Luft aus den Bohrungen 6a wird dieser ein entsprechender Drall verliehen, wie durch die Pfeile in den Figuren angedeutet ist. Durchmesser und Länge der Bohrungen 6a werden zweckmäßigerweise derart aufeinander abgestimmt, daß sich eine maximale Drallwirkung ergibt, wobei die Länge letztlich durch die Wandstärke des den Verdichtereinlauf 3 begrenzenden, von der ringförmigen Bypassleitung 6 umgebenen Gehäuses 8 bestimmt wird.
Wie in 3 dargestellt, münden die Bohrungen 6a im wesentlichen tangential im Innenraum des Verdichtereinlaufs 3. Der Strömungswiderstand der Bohrungen 6a kann für alle Bohrungen 6a gleich sein, während jedoch bevorzugt der Strömungswiderstand der Bohrungen 6a an der benachbart zur Außenseite des Rohrkrümmers 3a befindlichen Seite des Gehäuses 8 größer als an der Innenseite des Rohrkrümmers 3a ist. Die Vergrößerung kann hierbei stufenförmig vorgesehen sein.
Ferner oder zusätzlich ist es möglich, die Bypassleitung 6 spiralförmig bzw. mit entsprechenden Leitrippen zu gestalten, wodurch bereits ein Drall erzeugt wird, wobei ebenfalls zweckmäßigerweise der Strömungswiderstand der Mündungen der Bypassleitung 6 an der benachbart zur Außenseite des Rohrkrümmers 3a befindlichen Seite des Gehäuses 8 größer als an der Innenseite des Rohrkrümmers 3a sein kann. Hierbei kann ebenfalls die Vergrößerung stufenförmig vorgesehen sein.
Die Klappe 7 kann beispielsweise durch einen Elektromagneten 9 mittels einer Steuerung 10 angesteuert werden, wobei die Stellung der Klappe 5 zweckmäßigerweise über einen mit der Steuerung 10 gekoppelten Stellungssensor 11 für die Drosselklappe 5 überwacht wird.
Anstelle einer ringförmigen, die Bohrungen 6a gemeinsam speisenden Bypassleitung 6 können auch mehrere, in jeweils einer Bohrung 6a mündenden Bypassleitungen verwendet werden.
Unabhängig von der Anordnung und Bemessung der Bohrungen 6a kann das Gehäuse 8 außenseitig mit einer drehbaren Manschette (nicht dargestellt) versehen sein, die mit den Bohrungen 6a entsprechenden Durchtrittsöffnungen versehen ist, die die Bohrungen 6a je nach Motorlast (Teillast/Vollast) freigeben bzw. verschließen, indem die Manschette entsprechend mittels eines Aktuators beispielsweise in Form eines Schneckengetriebes, eines Hebels od.dgl. verdreht wird. Hierdurch läßt sich der effektive Durchtrittsquerschnitt der Bohrungen 6a und damit der Drall entsprechend der Motorlast steuern. Hierbei ist es ferner möglich, die Klappe 7 und die Manschette gemeinsam über einen Aktuator anzusteuern. Die dem Verdichter nachgeschaltete Drosselklappe 5 kann bei Verwendung der Manschette entfallen.
Im Vollastbetrieb ist die Klappe 7 offen, da soviel Luft angesaugt wird, daß sich praktisch keine asymmetrische Anströmung des Verdichterrads 1 ergibt. Je weiter der Betrieb der Brennkraftmaschine in Teillast übergeht, umso weiter wird die Klappe 7 geschlossen, um den Anteil der Bypass-Luft entsprechend zu erhöhen und damit einen entsprechenden Drall zu erzeugen.
Anstelle der Klappe 7 können auch lastverstellbare, drallerzeugende Leitschaufeln 12 vorgesehen sein.
Zusätzlich oder anstelle der Bypassleitung 6 können die Leitschaufeln 12, feststehend oder lastverstellbar ausgeführt, derart unsymmetrisch bezüglich der Achse des Verdichtereinlaufs 3 ausgebildet sein, daß das Verdichterrad 1 über die Anströmfläche des Verdichterrads 1 im wesentlichen vergleichmäßigt von Ansaugluft angeströmt wird, wie in 4 dargestellt ist. Hierzu ist zweckmäßigerweise der Strömungswiderstand der zwischen den Leitschaufeln 12 gebildeten Leitkanäle 13 benachbart zur Außenseite des Rohrkrümmers 3a größer als benachbart zu dessen Innenseite.
Anstelle von stationären Leitschaufeln 12 kann auch ein Einsatz im Gehäuse 8 vorgesehen sein, der gitterförmig angeordnete, drallerzeugende Leitkanäle enthält, wobei zumindest im Falle, daß keine Bypassleitung 6 vorgesehen ist, der Strömungswiderstand der Leitkanäle benachbart zur Außenseite des Rohrkrümmers 3a größer als benachbart zu dessen Innenseite ist.
In dem Gehäuse 8 des Verdichtereinlaufs 3 können auch, wie in den 5 bis 7 dargestellt, unabhängig davon, ob eine Bypassleitung 6 vorgesehen ist oder nicht, zwei lastabhängig gegensinnig verdrehbare, koaxiale Wellen 14a, 14b angeordnet sein, die jeweils eine Klappe 15a, 15b tragen. Die Klappen 15a, 15b besitzen jeweils einen kreisausschnittförmigen Ausschnitt 16a bzw. 16b, der im dargestellten Ausführungsbeispiel viertelkreisförmig ist. Die Ausschnitte 16a, 16b sind zueinander um 180° versetzt. Bei Vollast verlaufen beide Klappen 15a, 15b parallel (5). In Teillaststellung (6) überlappen sie sich teilweise, so daß die hindurch strömende Luft über den zwischen den Klappen 15a, 15b gebildeten Spalt einen Drall verliehen bekommt.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn zwecks entsprechender Abdichtung am Umfang der Klappen 15a, 15b die Kontur an der Innenseite des Gehäuses 8 abweichend von der normalerweise zylindrischen Kontur in einem kleinen Klappenschwenkbereich 17 von beispielsweise 30° bis 60° kugelförmig ausgebildet ist.

Claims

Turboverdichter für eine Brennkraftmaschine mit einem sich an einen Rohrkrümmer anschließenden Verdichtereinlauf (3), einem Verdichterrad (1) und einem Luftauslaß (4) für verdichtete Luft sowie mit einer Einlaufdralleinrichtung im Bereich des Verdichtereinlaufs (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdralleinrichtung eine Einrichtung (6, 6a, 7) zum über die Anströmfläche des Verdichterrads (1) im wesentlichen vergleichmäßigten Zuführen von Ansaugluft zum Verdichterrad (1) aufweist.
Turboverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6, 6a, 7) zum im wesentlichen tangential zum Verdichterrad (1) gerichteten Zuführen von Luft ausgebildet ist.
Turboverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verdichtereinlauf (3) ein vor dem oder auf das Verdichterrad (1) mündender Bypass (6) angeordnet ist.
Turboverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (6) den Verdichtereinlauf (3) ringförmig umgibt.
Turboverdichter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (6) spiralförmig ausgebildet ist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass (6) benachbart zum Verdichterrad (1) symmetrisch zum Verdichtereinlauf (3) mündet.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufdralleinrichtung drallerzeugende Leitkanäle (6a, 13) umfaßt.
Turboverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle (6a, 13) derart unsymmetrisch bezüglich der Achse des Verdichtereinlaufs (3) ausgebildet sind, daß das Verdichterrad (1) über die Anströmfläche des Verdichterrads (1) im wesentlichen vergleichmäßigt von Ansaugluft angeströmt wird.
Turboverdichter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand der Leitkanäle (6a, 13) benachbart zur Außenseite des Rohrkrümmers (3a) größer als benachbart zu dessen Innenseite ist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Leitkanäle Bohrungen (6a) sind, die vom Bypass (6) ausgehend in den Verdichtereinlauf (3) münden.
Turboverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (6a) in Durchmesser und Länge auf eine maximale Drallerzeugung abgestimmt sind.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle (13) von Leitschaufeln (12) gebildet werden.
Turboverdichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) entsprechend der Lastanforderung der Brennkraftmaschine steuerbar sind.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdichtereinlauf (3) eine entsprechend der Lastanforderung der Brennkraftmaschine steuerbare Klappenanordnung (7, 15a, 15b) angeordnet ist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappenanordnung zwei entsprechend der Lastanforderung der Brennkraftmaschine gesteuert gegensinnig verdrehbare Klappen (15a, 15b) mit kreisausschnittförmigen Ausschnitten (16a, 16b) umfaßt, wobei die Ausschnitte (16a, 16b) um 180° zueinander verdreht angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappen (15a, 15b) auf koaxialen Wellen (14a, 14b) angeordnet sind.
Turboverdichter nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein kugelförmig ausgebildeter Klappenwinkelbereich (17) im Verdichtereinlauf (3) vorgesehen ist.
Turboverdichter nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß jede Klappe (15a, 15b) einen Viertelkreisausschnitt (16a, 16b) aufweist.