DE102004045372A1 - Exhaust gas turbocharger`s compressor, has runner wheel that is moved between coupling and decoupling positions, where runner wheel and compressor wheel are connected in torque-proof manner if runner wheel is in coupling position - Google Patents

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Abstract

The compressor has a wheel (8) coaxially arranged with a runner wheel (10), where the wheel (10) is translatorily and rotatably moved in the compressor. The wheel (10) is moved between coupling and decoupling positions. The wheels are connected in a torque-proof manner if the wheel (10) is in a coupling position. The wheel (10) is decoupled from the wheel (8) if the wheel (10) is in a decoupling position.

Description

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.

Claims (6)

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) translatorisch und rotatorisch bewegbar ist und das Vorsatzläuferrad (10) 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.Compressor in an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, with one in a compressor inlet channel ( 19 ) of the compressor ( 5 ) rotatably mounted compressor wheel ( 8th ), which is a coaxially arranged Vorsatzläuferrad ( 10 ), characterized in that the Vorsatzläuferrad ( 10 ) is translationally and rotationally movable and the Vorsatzläuferrad ( 10 ) between a coupling position with the compressor wheel ( 8th ) and a decoupling position is to be adjusted, wherein in coupling position the compressor wheel ( 8th ) and the auxiliary rotor wheel ( 10 ) are rotatably connected and in decoupling the Vorsatzläuferrad ( 10 ) from the compressor wheel ( 8th ) is decoupled. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Maschine (40) zur Regulierung der rotatorischen Bewegung des Vorsatzläuferrades (10) vorgesehen ist.Compressor according to claim 1, characterized in that an electrical machine ( 40 ) for regulating the rotational movement of the Vorsatzläuferrades ( 10 ) is provided. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotor (45) der elektrischen Maschine (40) auf einer Vorsatzläuferradwelle (42) des Vorsatzläuferrades (10) vorgesehen ist.Compressor according to claim 2, characterized in that a rotor ( 45 ) of the electric machine ( 40 ) on a Vorsahrläuferradwelle ( 42 ) of the auxiliary rotor wheel ( 10 ) is provided. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (46) der elektrischen Maschine (40) in einem Gehäuseteil (33) des Vorsatzläuferrades (10) im Bereich der Vorsatzläuferradwelle (42) angeordnet ist.Compressor according to claim 2, characterized in that a stator ( 46 ) of the electric machine ( 40 ) in a housing part ( 33 ) of the auxiliary rotor wheel ( 10 ) in the area of the Vorsattläuferradwelle ( 42 ) is arranged. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (40) als Generator betreibbar ist.Compressor according to claim 2, characterized in that the electric machine ( 40 ) is operable as a generator. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (40) mit einer Kraftfahrzeugbatterie (48) elektrisch verbunden ist.Compressor according to claim 5, characterized in that the electric machine ( 40 ) with a motor vehicle battery ( 48 ) is electrically connected.
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DE102018100714A1 (en) * 2018-01-15 2019-07-18 Ihi Charging Systems International Gmbh turbocharger

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