Die
Erfindung betrifft einen Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The
The invention relates to a compressor in an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine
the preamble of claim 1.
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.In the publication DE 100 61 847 A1 An exhaust-gas turbocharger for an internal combustion engine is described which comprises an exhaust gas turbine arranged in the exhaust tract of the internal combustion engine and a compressor arranged in the intake tract, wherein a separately formed coaxially arranged auxiliary rotor is arranged upstream of the compressor wheel of the compressor in the compressor inlet duct. This primer is intended to positively influence the operating behavior of the compressor by the pumping limit of the compressor in the direction of smaller volume flows and the plug limit is moved in the direction of larger volume flows. The independent of the compressor wheel rotating Vorsaktläufer is driven by an electric motor.
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 anzuordnen. 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 eingesetzt werden (so genannter Kaltluft-Turbinen-Betrieb),
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.From the publication DE 100 49 198 A1 It is known to arrange in the compressor inlet passage of a compressor upstream of the compressor wheel, an adjustable locking member for variable adjustment of the effective cross-section of the inlet channel. This embodiment has the advantage that the cross section of the compressor inlet channel is variably adjustable, whereby the operating behavior of the compressor can also be manipulated. Thus, it is particularly possible to influence the flow velocity and the swirl of the supplied combustion air, for example, to increase the flow inlet velocity of the supplied air by a narrowing of the cross section. At low load and speed, the compressor can be used as an air driven turbine (so called cold air turbine operation) by taking advantage of a pressure gradient across the compressor to drive the compressor wheel. This pressure gradient corresponds to a restriction in the intake tract, which offers the advantage that the internal combustion engine can basically be operated without a throttle valve. Another advantage is that the supercharger speed can be kept at a minimum level, even at low loads and speeds of the internal combustion engine.
Von
diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, das Betriebsverhalten eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine
weiter zu verbessern. Insbesondere soll ein rascher Ladedruckaufbau
auch im niederen Last- und Drehzahlbereich unter Ausgleich der Drehzahlunterschiede
vor dem Kopplungsprozess von Vorsatzläuferrad und Verdichterrad gewährleistet sein.From
Based on this prior art, the invention has the object
underlying the performance of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine
continue to improve. In particular, a rapid charge pressure build-up
even in the low load and speed range while balancing the speed differences
be guaranteed before the coupling process of Vorsatzläuferrad and compressor.
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß bei dem
Verdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen
an.This
Problem is inventively in the
Compressor solved with the features of claim 1. The subclaims give
appropriate training
at.
Bei
dem erfindungsgemäßen Verdichter
ist das Vorsatzläuferrad
translatorisch und rotatorisch bewegbar und 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 situationsbedingt eine Kopplung zwischen
Vorsatzläuferrad
und Verdichterrad herstellbar und gegebenenfalls lösbar.at
the compressor according to the invention
is the Vorsatzläuferrad
translational and rotationally movable and between a coupling position and
to adjust a decoupling position, wherein in coupling position
the Vorsatzläuferrad
rotatably connected to the compressor wheel, whereas in the decoupling position
the compressor wheel independent of
Vorsatzläuferrad
can run around. As a result, depending on the situation, a coupling between
Vorsatzläuferrad
and compressor wheel to produce and optionally solvable.
Insbesondere
bei niedrigen Motorlasten und niedrigen bis mittleren Motordrehzahlen
wird das Vorsatzläuferrad
mit dem Verdichterrad kinematisch gekoppelt, sodass das Vorsatzläuferrad
und das 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 Abgasturboladers erreicht und der Ladedruckaufbau
insbesondere bei niedrigen 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. Der Kopplungs- und
der Entkopplungsprozess unterliegen der translatorischen Bewegung
des Vorsatzläuferrades,
wobei das Vorsatzläuferrad
aufgrund seiner rotatorischen Bewegung schon vor dem Kopplungsprozess
auf die entsprechende Drehzahl des Abgasturboladers beziehungsweise
des Verdichters gebracht wird, wodurch eine energieverzehrende Beschleunigung
des Vorsatzläuferrades
durch den Verdichter entfällt.Especially
at low engine loads and low to medium engine speeds
becomes the Vorsaktläuferrad
kinematically coupled to the compressor wheel, so that the Vorsatzläuferrad
and rotate the compressor wheel rotatably. The Vorsattläuferrad can
with a turbine wheel-like
Blade be equipped and even without external drive alone on the
zoom out
Combustion air an additional
Drive spin generate, which due to the kinematic coupling
also transferred to the compressor wheel
becomes. Even at low loads and speeds is a comparatively
reached high speed level of the exhaust gas turbocharger and the boost pressure build-up
particularly positively influenced at low loads and engine speeds,
whereby the transient behavior of the internal combustion engine improves
becomes. At higher
Loads and speeds, however, the Vorsatzläuferrad is decoupled from the compressor,
so that the combustion air without obstruction in the flow path
impinges directly on the compressor wheel. The coupling and
the decoupling process is subject to translatory motion
the Vorsatzläuferrades,
the Vorsatzläuferrad
due to its rotational movement even before the coupling process
to the corresponding speed of the exhaust gas turbocharger or
of the compressor, resulting in an energy-consuming acceleration
the Vorsatzläuferrades
eliminated by the compressor.
Weiterhin
ist eine elektrische Maschine zur Regulierung der rotatorischen
Bewegung des Vorsatzläuferrades
vorgesehen, so dass die Drehzahl des Vorsatzläuferrades regulierbar ist. Über die
elektrische Maschine ist die Drehzahl des Vorsatzläuferrades
regulierbar und ist auf die Drehzahl des Verdichterrades einstellbar,
so dass beim Kopplungsprozess des Vorsatzläuferrades mit dem Verdichterrad keine
Drehzahlunterschiede überwunden
werden müssen.
Das Vorsatzläuferrad
wird über
die elektrische Maschine bereits vor dem Kopplungsprozess auf die
entsprechende Verdichterraddrehzahl gebracht, wodurch ein Beschleunigungsprozess
des Vorsatzläuferrades
nach dem Kopplungsprozess von Vorsatzläuferrad und Verdichterrad entfällt. Des
Weiteren fällt
der elektrischen Maschine die Aufgabe zu, die Drehzahl des nach
dem Kopplungsprozess angekoppelten Abgasturboladers zu regulieren.
Im Entkopplungszustand, das heißt
das Verdichterrad ist nicht mit dem Vorsatzläuferrad gekoppelt, wird die Drehzahl
des Vorsatzläuferrades
von der elektrischen Maschine kontrolliert.Furthermore, an electric machine for regulating the rotational movement of the Vorsatzläuferrades is provided so that the speed of the Vorsatzläuferrades is adjustable. About the electric machine, the speed of the Vorsatzläuferrades is adjustable and is adjustable to the speed of the compressor wheel, so that no speed differences must be overcome during the coupling process of the Vorsatzläuferrades with the compressor wheel. The Vorsatzläuferrad is on the elektri already brought before the coupling process to the appropriate Verdichterraddrehzahl, whereby an acceleration process of the Vorsatzläuferrades is omitted after the coupling process of Vorsatzläuferrad and compressor wheel. Furthermore, the electric machine has the task of regulating the speed of the exhaust gas turbocharger coupled after the coupling process. In the decoupling state, that is, the compressor wheel is not coupled to the Vorsatzläuferrad, the speed of the Vorsatzläuferrades is controlled by the electric machine.
In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist ein Rotor der elektrischen
Maschine auf einer Welle des Vorsatzläuferrades vorgesehen, wodurch
eine direkte Übertragung
der Drehzahl der elektrischen Maschine auf die Welle des Vorsatzläuferrades
ermöglicht
wird. Zusätzlich
ermöglicht
diese Anordnung eine kompakte Bauweise.In
an advantageous further development is a rotor of the electric
Machine provided on a shaft of the Vorsahrläuferrades, thereby
a direct transfer
the speed of the electric machine on the shaft of the Vorsatzläuferrades
allows
becomes. additionally
allows
this arrangement is a compact design.
In
einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verdichters ist der Stator
der elektrischen Maschine in einem Gehäuseteil des Vorsatzläuferrades
im Bereich der Welle des Vorsatzläuferrades angeordnet, wodurch
eine kompakte Bauweise unterstützt
wird.In
a further development of the compressor according to the invention is the stator
the electric machine in a housing part of the Vorsatzläuferrades
arranged in the region of the shaft of the Vorsatzläuferrades, whereby
supports a compact design
becomes.
In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die elektrische Maschine wie ein Generator betreibbar, so dass
sie neben ihrer Funktion Energie abzugeben auch die Funktion Energie
aufzunehmen übernehmen
kann. Durch ihre Funktion als Generator kann sie in bestimmten Betriebspunkten
der Brennkraftmaschine Energie aufnehmen und in einen angeschlossenen Energiespeicher
einspeisen.In
an advantageous development of the compressor according to the invention
the electric machine is operable like a generator, so that
In addition to their function, they also give energy to the energy function
take over
can. Due to its function as a generator, it can operate at certain operating points
the engine absorb energy and into a connected energy storage
feed.
In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verdichters
ist die elektrische Maschine an eine Kraftfahrzeugbatterie angeschlossen,
so dass die elektrische Maschine über die Kraftfahrzeugbatterie
gespeist wird oder Energie in die Kraftfahrzeugbatterie einspeisen
kann.In
an advantageous development of the compressor according to the invention
the electric machine is connected to a motor vehicle battery,
so that the electric machine via the motor vehicle battery
is fed or feed energy into the vehicle battery
can.
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further
Advantages and expedient designs
are the further claims,
the figure description and the drawings. Show it:
1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine,
wobei der Verdichter im Abgasturbolader zusätzlich zum Verdichterrad ein
axial verstellbares Vorsatzläuferrad
aufweist, 1 a schematic representation of a supercharged internal combustion engine, wherein the compressor in the exhaust gas turbocharger in addition to the compressor wheel has an axially adjustable Vorsatzläuferrad,
2 das
Vorsatzläuferrad
in angenäherter Position
an das Verdichterrad und das Leitgitter in seiner den Querschnitt
minimierenden Staustellung, 2 the Vorsatzläuferrad in approximate position to the compressor wheel and the guide grid in its minimizing the cross-section stowed position,
2a eine
Ausschnittvergrößerung der
Beschaufelung des Vorsatzläuferrades, 2a an enlarged detail of the blading of the Vorsatzläuferrades,
2b die
Beschaufelung des Vorsatzläuferrades
in Draufsicht, 2 B the blading of the Vorsatzläuferrades in plan view,
3 eine 2 entsprechende
Darstellung, jedoch mit dem Vorsatzläuferrad in Kopplungsstellung
und einem vorgelagerten Leitgitter in Betriebsstellung mit maximal
freigegebenem Querschnitt, 3 a 2 corresponding representation, but with the Vorsatzläuferrad in coupling position and an upstream guide grid in the operating position with maximum released cross-section,
4 einen
Schnitt durch den Verdichter mit dem Vorsatzläuferrad in Entkopplungsstellung, 4 a section through the compressor with the Vorsattläuferrad in decoupling position,
5 einen
Schnitt durch einen Verdichter in einer alternativen Ausführung. 5 a section through a compressor in an alternative embodiment.
In
den Figuren sind gleiche und gleich wirkende Bauteile mit denselben
Bezugszeichen versehen.In
the figures are the same and same-acting components with the same
Provided with reference numerals.
Der
in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 1, ein
Ottomotor oder ein Dieselmotor, 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 mit
einem Turbinenrad 3a von den unter Druck stehenden Abgasen
der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Drehung des Turbinenrades 3a 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 1 zugeführt.The in 1 shown internal combustion engine 1 , a gasoline engine or a diesel engine, is an exhaust gas turbocharger 2 associated with an exhaust gas turbine 3 in the exhaust system 4 and a compressor 5 in the intake tract 6 includes. During operation of the internal combustion engine, the exhaust gas turbine 3 with a turbine wheel 3a driven by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine. The rotation of the turbine wheel 3a is about a wave 9 on the compressor wheel 8th in the compressor 5 transferred, in which brought from the environment combustion air is compressed to an increased boost pressure. The compressed air is in the intake tract 6 initially in a charge air cooler 13 cooled and then under boost pressure the cylinders of the internal combustion engine 1 fed.
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 3 sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise
als auch im Motorbremsbetrieb verbessert werden.The exhaust gas turbine 3 is with a variable turbine geometry 7 equipped for variable adjustment of the effective turbine inlet cross-section. Using the variable turbine geometry 7 can the behavior of the exhaust gas turbine 3 be improved both in the fired drive mode and in engine braking operation.
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 das Vorsatzläuferrad 10 und das
Verdichterrad 8 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.The compressor 5 the exhaust gas turbocharger 2 points in addition to the compressor wheel 8th an axially upstream Vorsatzläuferrad 10 on. The intent wheel 10 is axially displaceable in the compressor 5 arranged. The intent wheel 10 is from an actuator 11 charged and can one with the arrow 12 execute shown axial adjusting movement. Here is the Vorsatzläuferrad 10 between a coupling position in which the Vorsatzläuferrad 10 and the compressor wheel 8th kinematically rotationally coupled, and a decoupling position to adjust, in which is the compressor wheel 8th independent of the secondary rotor 10 can run around. The function and operation of the compressor 5 is described in the following figures.
Des
Weiteren ist das Vorsatzläuferrad 10 rotatorisch
bewegbar im Verdichter 5 angeordnet. Das Vorsatzläuferrad 10 kann
eine mit dem Rotationspfeil 41 dargestellte rotatorische
Bewegung ausführen und
kann von einer in 2 dargestellten elektrischen
Maschine 40 angetrieben werden.Furthermore, the Vorsattläuferrad 10 rotationally movable in the compressor 5 arranged. The intent wheel 10 can one with the rotation arrow 41 can perform shown rotational movement and can from an in 2 illustrated electric machine 40 are driven.
Der
Brennkraftmaschine 1 ist 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 sind
ein einstellbares Rückführventil 16 und
ein Abgaskühler 17 angeordnet. Über die
Abgasrückführeinrichtung 14 wird
insbesondere im Teillastbetrieb ein Teil des Abgasmassenstromes
in den Ansaugtrakt 6 rückgeführt, wodurch
die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine 1 reduziert werden
können.The internal combustion engine 1 is an exhaust gas recirculation device 14 assigned, which is a return line 15 between the exhaust line 4 upstream of the exhaust gas turbine 3 and the intake tract 6 downstream of the intercooler 13 includes. In the return line 15 are an adjustable return valve 16 and an exhaust gas cooler 17 arranged. About the exhaust gas recirculation device 14 In particular, in part-load operation, a part of the exhaust gas mass flow into the intake tract 6 recycled, reducing the NO x emissions of the internal combustion engine 1 can be reduced.
Sämtliche
einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine 1 sind über Steuer-
und Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit 18 in Abhängigkeit
von Zustands- und Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 sowie der Aggregate einzustellen. Dies
betrifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 7,
das Stellglied 11 im Verdichter 5, die in 2 dargestellte
elektrische Maschine 40 des Vorsatzläuferrades 10 sowie
das Rückführventil 16 in
der Abgasrückführeinrichtung 14.All adjustable units of the internal combustion engine 1 are via control and actuating signals of a control and control unit 18 depending on state and operating variables of the internal combustion engine 1 and to adjust the aggregates. This concerns in particular the variable turbine geometry 7 , the actuator 11 in the compressor 5 , in the 2 illustrated electrical machine 40 the Vorsatzläuferrades 10 and the return valve 16 in the exhaust gas recirculation device 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 Kopplungsstellung
in eine Entkopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 zu
verschieben (4), in welcher das Verdichterrad 8 und
das Vorsatzläuferrad 10 aus
der drehfesten Verbindung miteinander gelöst 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
eine freie Stirnseite 26a des Koppelelementes 26 in
eine 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. Denkbar ist ebenso, dass
die Kopplung des Verdichterrades 8 mit dem Vorsatzläuferrad 10 über eine
elektromagnetische Kupplung erfolgt, die berührungslos und ohne Verschleiß die geforderte
Verbindung herstellt.As the sectional view 2 can be seen, is the compressor wheel 8th in the compressor inlet channel 19 the Vorsatzläuferrad 10 axially upstream, which is held axially displaceable. This is the Vorsatzläuferrad 10 with the actuator 11 coupled, according to arrow 12 can be moved axially. The intent wheel 10 is from the in 2 illustrated coupling position in a decoupling position with the compressor wheel 8th to move ( 4 ), in which the compressor wheel 8th and the Vorsachläuferrad 10 are released from the rotationally fixed connection with each other. The coupling is done using a coupling element 26 made, which between Vorsatzläuferrad 10 and compressor wheel 8th is arranged and axially captive on Vorsatzläuferrad 10 held and adjusted together with this, but opposite the Vorsatzläuferrad 10 can perform an axial relative movement. Between the coupling element 26 and the Vorsaktläuferrad 10 is a spring element 27 curious which the coupling element 26 from the intentional wheel 10 pushes. About a stop 28 is a positive connection between the coupling element 26 and intentional wheel 10 made so that both components are held captive to each other, wherein the stop 28 at the same time marks a maximum adjustment position between these two components. In coupling position, a free end engages 26a of the coupling element 26 in a front side 29 of the compressor wheel 8th rotatably. The coupling element is expedient 26 designed as a friction cone, so that the rotary coupling is made by friction. The frictional force is greater than the forces occurring in the circumferential direction during the rotational acceleration. It is also conceivable that the coupling of the compressor wheel 8th with the Vorsachläuferrad 10 via an electromagnetic clutch that produces the required connection without contact and without wear.
Das
Vorsatzläuferrad 10 ist
nach Art eines Turbinenrades aufgebaut und besitzt radial außen liegende
Schaufeln 20, welche die Anströmseite des Vorsatzläuferrades 10 markieren.
Das Vorsatzläuferrad 10 weist
an seinem Radrücken 10a eine
Vorsatzläuferradwelle 42 auf,
die in einem dem Radrücken 10a des
Vorsatzläuferrades 10 benachbarten
Gehäuseteil 33 über zwei
Lager 43, 44 rotierbar gelagert ist. Das Gehäuseteil 33 weist
eine zu einer Längsachse 35 des
Verdichterrades 8 rotationssymmetrische, hülsenartige
Form auf. An der dem Radrücken 10a des
Vorsatzläuferrades 10 abgewandten
Seite des Gehäuseteils 33 im
Gehäuseteil 33 ist
eine Ausnehmung 33b vorgesehen, so, dass das Stellglied 11 an seinem
das Gehäuseteil 33 aufnehmenden,
zangenförmig
ausgebildeten Ende 11a eine reibschlüssige Verbindung mit dem Gehäuseteil 33 eingehen
kann. Auf der Hülsenoberfläche 33c des
Gehäuseteils 33 ist
eine Matrize 23 unverlierbar angebracht.The intent wheel 10 is constructed in the manner of a turbine wheel and has radially outer blades 20 , which the inflow side of the Vorsatzläuferrades 10 to mark. The intent wheel 10 points to his Radrücken 10a a Vorsahrläuferradwelle 42 up in a the Radrücken 10a the Vorsatzläuferrades 10 adjacent housing part 33 over two camps 43 . 44 rotatably mounted. The housing part 33 has one to a longitudinal axis 35 of the compressor wheel 8th rotationally symmetrical, sleeve-like shape. At the Radrücken 10a the Vorsatzläuferrades 10 opposite side of the housing part 33 in the housing part 33 is a recess 33b provided so that the actuator 11 at his the housing part 33 receiving, pincer-shaped end 11a a frictional connection with the housing part 33 can go down. On the sleeve surface 33c of the housing part 33 is a die 23 captively attached.
Die
elektrische Maschine 40 des Vorsatzläuferrades 10 ist zwischen
den Lagern 43 und 44 angeordnet, derart, dass
ein Rotor 45 der elektrischen Maschine 40 auf
der Vorsatzläuferradwelle 42 angeordnet
ist. Ein Stator 46 der elektrischen Maschine 40 ist im
Gehäuseteil 33 so
angeordnet, dass der Stator 46 gegenüber dem Rotor 45 liegt
und ein Luftspalt 50 zwischen Rotor 45 und Stator 46 vorliegt.
Vor der Kopplung des Vorsatzläuferrades 10 mit
dem Verdichterrad 8 wird das Vorsatzläuferrad 10 über die elektrische
Maschine 40 auf die Verdichterraddrehzahl gebracht, so
dass keine Drehzahlunterschiede zwischen Vorsatzläuferrad 10 und
Verdichterrad 8 während
des Kopplungsprozesses auftreten. Dadurch ist ein wesentlich schnellerer
Ladedruckaufbau möglich,
da nicht, wie bei einem Betrieb des Vorsatzläuferrades 10 ohne
elektrische Maschine 40, das Vorsatzläuferrad 10 erst über das
Verdichterrad 8 beschleunigt werden muss.The electric machine 40 the Vorsatzläuferrades 10 is between the camps 43 and 44 arranged such that a rotor 45 the electric machine 40 on the Vorsahrläuferradwelle 42 is arranged. A stator 46 the electric machine 40 is in the housing part 33 so arranged that the stator 46 opposite the rotor 45 lies and an air gap 50 between rotor 45 and stator 46 is present. Before coupling the Vorsatzläuferrades 10 with the compressor wheel 8th becomes the Vorsaktläuferrad 10 over the electric machine 40 brought to the Verdichterraddrehzahl, so that no speed differences between Vorsatzläuferrad 10 and compressor wheel 8th occur during the coupling process. As a result, a much faster charge pressure build-up is possible, since not, as in an operation of the Vorsatzläuferrades 10 without electric machine 40 , the tail rotor wheel 10 first over the compressor wheel 8th has to be accelerated.
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 die Matrize 23 einfahrbar, welche fest mit dem Stellglied 11 verbunden
ist. Der Konturring 22 ist an insgesamt drei rotationssymmetrisch angeordneten
Führungsbolzen 24,
welche sich achsparallel zur Längsachse 35 des
Verdichters erstrecken, gehalten, wobei die Führungsbolzen 24 unverlierbar,
jedoch relativbeweglich mit der Matrize 23 gekoppelt sind.
Die Führungsbolzen 24 sind
von Federelementen 25 umgriffen, welche als Druckfeder ausgebildet
sind und sich an einem Ende am Konturring 22 und am anderen
Ende an einem Absatz 23a der Matrize 23 abstützen und
den Konturring 22 sowie das Leitgitter 21 in die
in 4 gezeigte maximale Öffnungsstellung des Leitgitters 21 beaufschlagen, in
der der wirksame Eintrittsquerschnitt durch das Leitgitter 21 einen
Maximalwert einnimmt.The shovels 20 the Vorsatzläuferrades 10 is a radially encircling guide grid 21 upstream, which is fixed to a contour ring 22 is held. The Leitgitter 21 is in the matrix 23 Retractable, which firmly with the actuator 11 connected is. The Kon turring 22 is on a total of three rotationally symmetrical guide pins 24 which are axially parallel to the longitudinal axis 35 the compressor extend, the guide pins 24 Captive, but relatively movable with the die 23 are coupled. The guide pins 24 are of spring elements 25 encompassed, which are formed as a compression spring and at one end on the contour ring 22 and at the other end at a paragraph 23a the matrix 23 support and the contour ring 22 as well as the guide grid 21 in the in 4 shown maximum opening position of the guide grid 21 in which the effective inlet cross-section through the guide grid 21 takes a maximum value.
In
den 2a und 2b ist
die Radbeschaufelung des Vorsatzläuferrades 10 dargestellt. Wie 2a 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°.In the 2a and 2 B is the wheel blading of the Vorsatzläuferrades 10 shown. As 2a to take out, are the blades 20 formed in the entry region backward to the direction of rotation n with a relatively small blade entry angle β, which is set between a tangent to the circumference of the blading and a flow velocity vector w opt , the flow velocity vector w opt characterizes the optimum flow. The blade entry angle β is for example about 15 °.
Aus 2b ist
zu entnehmen, dass die Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10 rückwärts gekrümmt sind.Out 2 B it can be seen that the blades 20 the Vorsatzläuferrades 10 are curved backwards.
In 4 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 29 des Verdichterrades 8.
Das Vorsatzläuferrad 10 sowie
das Leitgitter 21 sind in der Entkopplungsposition außer Funktion.In 4 is the Vorsatzläuferrad 10 shown in its decoupling position, in which no connection with the compressor wheel 8th given is; the coupling element 26 is at a distance to the front side 29 of the compressor wheel 8th , The intent wheel 10 as well as the guide grid 21 are disabled in the decoupling position.
In
der Entkopplungsposition liegt der Konturring 22 mit Abstand
zu einer gehäuseseitigen
Kanalwandung 30 im Verdichtereinlasskanal 19.
Hierdurch wird ein halbaxialer Strömungsweg im Verdichtereinlasskanal 19 freigegeben, über den
Verbrennungsluft in Pfeilrichtung 31 unter Umgehung des
Leitgitters 21 und des Vorsatzläuferrades 10 der Stirnseite 29 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 3a der
Abgasturbine 3 angetrieben wird.In the decoupling position is the contour ring 22 at a distance from a housing-side channel wall 30 in the compressor inlet channel 19 , As a result, a semi-axial flow path in the compressor inlet channel 19 released, above the combustion air in the direction of the arrow 31 bypassing the Leitgitters 21 and the Vorsatzläuferrades 10 the front side 29 of the compressor wheel 8th is to be fed directly. This mode of operation is performed at higher engine loads and engine speeds, in which the compressor wheel 8th over the shaft of the turbine wheel 3a the exhaust gas turbine 3 is driven.
Bei
niedrigeren Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine 1 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 21 und das Vorsatzläuferrad 10 nehmen
muss.At lower loads and speeds of the internal combustion engine 1 becomes the Vorsaktläuferrad 10 in coupling position with the compressor wheel 8th spent; at the same time the contour ring becomes 22 on contact with the sewer wall 30 adjusted, whereby for a flow-tight termination in the contour ring 22 a sealing ring 32 is included, in direct contact with the sewer wall 30 arrives. The semi-axial flow path is closed in this case, so that the combustion air the way through the guide grid 21 and the Vorsachläuferrad 10 must take.
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 rotieren kann. Zwischen dem Radrücken 10a des
Vorsatzläuferrades 10 und
einer Wandung 33a des 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 19 stromauf des
Vorsatzläuferrades 10 beaufschlagt
wird, um ein Heraussaugen von Schmieröl zu verhindern.The matrix 23 and the Vorsachläuferrad 10 are from the actuator 11 axially in the direction of the arrow 12 to adjust, with the Vorsatzläuferrad 10 opposite the actuator 11 as well as the guide grid 21 and the other, related components is rotatably mounted and can rotate. Between the Radrücken 10a the Vorsatzläuferrades 10 and a wall 33a of the housing section 33 which also carries the matrix 23 is and by the actuator 11 is acted upon, a narrow buffer volume is formed, which with the pressure of the collecting space in the compressor inlet channel 19 upstream of the Vorsatzläuferrades 10 is applied to prevent sucking out of lubricating oil.
In 3 ist
das Vorsatzläuferrad 10 in
Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 gezeigt, in der das
Koppelelement 26 im Bereich der Stirnseite 26a mit
dem Verdichterrad 8 drehfest verbunden ist. In dieser Position
liegt auch der Konturring 22 mit dem Dichtring 32 an
der Kanalwandung 30 an. Zugleich befindet sich das Leitgitter 21 in
seiner maximal aus der Matrize 23 herausgeschobenen Position,
die der maximalen Öffnungsstellung
des Leitgitters 21 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 19 stromauf vom Leitgitter 21 zu
der Stelle stromab des Vorsatzläuferrades 10 beträgt mindestens
zwei, was bedeutet, dass stromauf des Leitgitters 21 der
Druck mindestens doppelt so groß ist
wie stromab des Vorsatzläuferrades 10 im Bereich
der Strömungseintrittskante
des Verdichterrades 8.In 3 is the Vorsatzläuferrad 10 in coupling position with the compressor wheel 8th shown in which the coupling element 26 in the area of the front side 26a with the compressor wheel 8th rotatably connected. In this position is also the contour ring 22 with the sealing ring 32 on the canal wall 30 at. At the same time is the guide grid 21 in its maximum from the matrix 23 pushed out position, the maximum opening position of the Leitgitters 21 equivalent. The flow takes place in the direction of the arrow 31 radially over the guide grid 21 on the blades 20 the Vorsatzläuferrades 10 , which is driven by the air flowing through, wherein the rotational movement of the Vorsatzläuferrades 10 over the coupling element 26 on the compressor wheel 8th is transmitted. This position takes the Vorsatzläuferrad 10 as well as the guide grid 21 at low engine loads and medium engine speeds. The pressure ratio in the compressor inlet duct 19 upstream from the baffle 21 to the point downstream of the Vorsatzläuferrades 10 is at least two, which means upstream of the Leitgitters 21 the pressure is at least twice as high as downstream from the Vorsatzläuferrades 10 in the region of the flow inlet edge of the compressor wheel 8th ,
Auch
in der Darstellung nach 2 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.Also in the presentation 2 is the Vorsatzläuferrad 10 in coupling position with the compressor wheel 8th , wherein the Vorsachläuferrad 10 and the coupling element 26 almost completely pushed together. The contour ring 22 lies with the sealing ring 32 sealing at the channel wall 30 at. Through the Leitgitter 21 Only a narrow axial gap is released, flows through the combustion air and radially on the blades 20 the Vorsatzläuferrades 10 incident. The Leitgitter 21 is largely in the matrix 23 inserted and is thus in its effective flow cross section reducing jam position. In this position, there is a strong pressure gradient in the compressor inlet channel 19 between the area current on the Leitgitters 21 and the area downstream of the blades 20 the Vorsatzläuferrades 10 , Suitably, the pressure ratio is at least four, which means that upstream of the guide grid 21 At least four times as high pressure prevails as downstream. This mode of operation is also referred to as a cold air turbine mode of operation which adjusts close to the engine idle speed range.
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 einer
Unterseite 22a 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 10b 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.In 5 is a compressor 5 shown in a modified embodiment. In contrast to the previous embodiment, the compressor after 5 a second guide grid 34 on, which is designed as a fixed grid and also firmly on the contour ring 22 is held. The first guide grid 21 which is in recesses in the die 23 is retractable, runs parallel to the axis of rotation of the compressor, whereas the second guide grid 34 extends in the radial direction. The second Leitgitter 34 is on a bottom 22a of the contour ring 22 and is the Vorsatzläuferrad 10 facing. During a closing movement of the actuator 11 towards the compressor wheel 8th first becomes the guide grid 21 offset from its open position to the stowed position. At the same time approach the second, fixed guide grille 34 and the Vorsachläuferrad 10 on, with the guide grid 34 to rest on an outer annular shoulder 10b in the axial flow outlet region of the Vorsatzläuferrades 10 arrives. Once the first baffle 21 is in its stowed position, is also the second Leitgitter 34 in the flow path of the flowing combustion air. While passing the second Leitgitters 34 the flowing combustion air undergoes a swirl, under which the air on the blades of the compressor wheel 8th incident. This position is set in particular in the low load range in which no boost pressure is generated and the compressor wheel 8th should exercise the function of a low-pressure turbine wheel.