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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader in einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In
der Druckschrift
DE
102 13 897 A1 wird ein variabler Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
beschrieben, welcher einen veränderlich
einstellbaren Verdichter im Ansaugtrakt und eine Abgasturbine mit
variabler Turbinengeometrie im Abgasstrang umfasst. Die variable
Turbinengeometrie ist zwischen einer den wirksamen Turbineneintrittsquerschnitt
minimierenden Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen.
Auf der Luftseite ist dem Verdichterrad jeweils eine Drall- und Drosseleinrichtung
vor- und nachgeordnet, wodurch das Verdichterkennfeld, also die
Pumpgrenze und die Stopfgrenze des Verdichters, in Richtung eines größeren, nutzbaren
Betriebsbereiches ausgedehnt wird. Insbesondere die dem Verdichterrad
vorgelagerte Drall- und Drosseleinrichtung, welche als variables
Vorleitgitter ausgebildet ist, kann zur Realisierung einer so genannten
Kaltluft-Turbinenbetriebsweise
des Verdichters bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine
in eine Mitdrallposition verstellt werden, die eine Impulsübertragung
der den Verdichter passierenden Verbrennungsluft auf das Verdichterrad
begünstigt.
Der bei niedrigen Lasten und Drehzahlen herrschende Druckabfall über dem
Verdichter kann auf diese Weise für einen Antrieb des Verdichterrades
ausgenutzt werden, wodurch die Laderdrehzahl auch in diesen Betriebszuständen der
Brennkraftmaschine auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem
zugrunde, das Betriebsverhalten eines Abgasturboladers in einer Brennkraftmaschine
weiter zu verbessern. Es soll insbesondere die Leistungsaufnahme
des Verdichters im Kaltluftturbinenbetrieb bei niedrigen Lasten und
Drehzahlen der Brennkraftmaschine erhöht werden.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Bei
dem Verdichter des erfindungsgemäßen Abgasturboladers
ist eine Diffusorwandung auf der Abströmseite des Verdichterrades
zwischen zwei Endpositionen, nämlich
einer den wirksamen Strömungsquerschnitt
im Diffusor reduzierenden Minimalposition und einer freigebenden
Maximalposition, zu verstellen. In der Minimalposition, in der der
wirksame Strömungsquerschnitt
im Diffusor ein Minimum einnimmt, wirkt der Diffusor als Düse, wodurch
die relative Austrittsgeschwindigkeit der das Verdichterrad passierenden
Verbrennungsluft angehoben wird. Die Anhebung der relativen Austrittsgeschwindigkeit führt zu einer
Abschwächung
eines die Leistungsabnahme des Verdichterrades im Kaltluftbetrieb
beeinträchtigenden
Mitdrall-Effektes,
sodass der Verdichter im Kaltluftturbinenbetrieb mehr Leistung abgeben und
einen höheren
Beitrag für
die Anhebung bzw. Aufrechterhaltung der Laderdrehzahl leisten kann.
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Die
Diffusorwandung nimmt die Minimalposition insbesondere in denjenigen
Betriebsweisen ein, in welchen der Verdichter im Kaltluftturbinenbetrieb gefahren
wird. In diesen Betriebszuständen
herrscht an den Zylindereingängen
der Brennkraftmaschine ein Unterdruck, wodurch sich über dem
Verdichterrad ein Druckabfall einstellt, der für den Antrieb des Verdichterrades
ausgenutzt werden kann. Trotz des verjüngten Querschnitts im Diffusor
kann auch in diesem Betriebszustand noch eine ausreichende Verbrennungsluftmenge
für die
Brennkraftmaschine bereitgestellt werden.
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Mit
steigenden Lasten und Drehzahlen übernimmt der Verdichter dagegen
seine Verdichterfunktion und komprimiert die herangeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten
Ladedruck, unter dem die Verbrennungsluft den Zylindern der Brennkraftmaschine
zugeführt
wird. Der Antrieb des Laders erfolgt in diesen Betriebszuständen über die
Abgasturbine. Im Verdichterbetrieb wird die Diffusorwandung in Richtung
der Maximalposition verstellt, um einen ausreichend hohen Verbrennungsluftstrom
durch den Verdichter zu gewährleisten.
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Zweckmäßig wird
nur eine der Diffusorwandungen zur Realisierung der Minimalposition
und der Maximalposition verstellt, wohingegen die gegenüberliegende
Diffusorwandung fest und unverstellbar im Verdichtergehäuse ausgebildet
ist. Die verstellbare Diffusorwandung ist insbesondere Teil einer
Verstelleinrichtung, über
die die Diffusorwandung im Verdichtergehäuse gehalten ist. Diese Verstelleinrichtung
sorgt für
ein Verschieben der Diffusorwandung, insbesondere in Achsrichtung,
zwischen den beiden Endpositionen, wobei auch beliebige Zwischenpositionen
möglich
sind.
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Die
aktuelle Position der Diffusorwandung bestimmt sich als Funktion
des Saugrohrdrucks, welcher von der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des
jeweiligen Last- und Betriebszustandes aktuell angefordert wird.
Die Verstellung der Diffu sorwandung kann entweder passiv als Reaktion
auf die anliegenden Druckverhältnisse
oder gegebenenfalls auch aktiv mittels eines Aktuatoreingriffs durchgeführt werden.
Bei einer passiven Verstelleinrichtung bewirkt der Saugrohrdruck,
welcher sich bis in die Gegend des Diffusors auswirkt, in Verbindung
mit den weiteren auf die Verstelleinrichtung wirkenden Druckverhältnissen
für eine
selbsttätige
Positionierung der Diffusorwandung; die Diffusorwandung nimmt eine
Position ein, in welcher die Verstelleinrichtung bzw. die Diffusorwandung
im Druckgleichgewicht steht.
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Die
Einstellung des Gleichgewichts, welches für die aktuelle Position der
Diffusorwandung verantwortlich ist, kann in einer vorteilhaften
Ausführung durch
Druckbeaufschlagung der Verstelleinrichtung verändert werden. So ist es beispielsweise
im Falle einer Ausführung
der Verstelleinrichtung als Balg mit flexiblen Wandungen, deren
eine Stirnseite von der Diffusorwandung gebildet wird, möglich, den
Balginnenraum mit einem veränderlich
einstellbaren Druck zu beaufschlagen. Diese Druckbeaufschlagung
kann stationär
durchgeführt
werden, um für
verschiedene Last- und Betriebszustände der Brennkraftmaschine ein
einheitliches Druckniveau in der Verstelleinrichtung einzustellen,
oder dynamisch während
des laufenden Betriebes verändert
werden, wodurch die Verstelleinrichtung als aktiv verstellbarer
Aktuator fungiert.
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Des
Weiteren kann vorgesehen sein, die Diffusorwandung in Richtung ihrer
Maximalposition federzubelasten, sodass die Diffusorwandung automatisch
ihre öffnende
Position einnimmt, sobald der Unterdruck im Saugrohr abgebaut wird.
Diese Ausführung
eignet sich insbesondere in Verwendung mit einer passiven Verstelleinrichtung,
da hierbei sichergestellt ist, dass der Strömungsquerschnitt im Diffusor im
Verdichterbe trieb ausreichend groß ist, um den benötigten Verbrennungsluftstrom
durch den Verdichter leiten zu können.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit
Abgasturbolader, deren Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie
und deren Verdichter mit veränderlicher
Verdichtergeometrie ausgestattet ist,
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2 einen
Querschnitt durch den Verdichter, dessen Diffusor auf der Abströmseite des
Verdichterrades mit einer axial verstellbaren Diffusorwandung versehen
ist, dargestellt in einer den wirksamen Strömungsquerschnitt im Diffusor
reduzierenden Minimalposition,
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3 ein 2 entsprechender
Schnitt durch den Verdichter, jedoch mit der Diffusorwandung in
einer den Strömungsquerschnitt
im Diffusor öffnenden
Maximalposition, wobei als zusätzliche
Variante gegenüber
der Ausführung
nach 2 vorgesehen ist, den Druck auf der Innenseite
der Diffusorwandung veränderlich
einstellen zu können.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 – ein Ottomotor
oder ein Dieselmotor – ist
mit einem Abgasturbolader 2 ausgestattet, der eine Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 4 und einen Verdichter 6 im Ansaugtrakt 7 umfasst.
Die Abgasturbine 3 weist eine variable Turbinengeometrie 5 auf, über die
der wirksame Turbineneintrittsquerschnitt zwischen einer minimalen
Stauposition und einer maximalen Öffnungsposition zu verstellen
ist. Der Verdichter 6 ist ebenfalls mit einer verstellbaren
Geometrie 8 ausgestattet, die es erlaubt, dem Verdichterrad
im Verdichter wahlweise axial oder radial Verbrennungsluft zuzuführen, wobei
die axiale Luftzufuhr im normalen Verdichterbetrieb und die radiale
Luftzufuhr im Kaltluft-Turbinenbetrieb
durchgeführt
wird, bei dem in niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine
stromab des Verdichters im Saugrohr ein Unterdruck herrscht, sodass
sich ein Druckabfall über dem
Verdichter einstellt, der für
einen Antrieb des Verdichterrades ausgenutzt werden kann. Die radiale Luftzufuhr
auf das Verdichterrad während
diesen Betriebszuständen
unterstützt
den Kaltluft-Turbinenbetrieb des Verdichterrades, indem die zugeführte Verbrennungsluft
den Verdichterradschaufeln einen in Umfangsrichtung wirkenden Drall
versetzt.
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Bestandteil
des Abgasturboladers 2 ist auch eine Welle 9,
welche das Turbinenrad drehfest mit dem Verdichterrad koppelt.
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Stromab
des Verdichters 6 befindet sich im Ansaugtrakt 7 ein
Ladeluftkühler 10,
in welchem die Verbrennungsluft, welche den Verdichter passiert hat,
vor dem Eintritt in die Zylinder der Brennkraftmaschine 1 gekühlt wird.
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Außerdem ist
die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführeinrichtung 11 ausgestattet,
welche eine Rückführleitung
zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und
dem Ansaugtrakt 7 stromab des Ladeluftkühlers 10 umfasst,
wo bei in der Rückführleitung
ein einstellbares Sperrventil und ein Abgaskühler angeordnet sind.
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Sämtliche
einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine werden von Stellsignalen
einer Regel- und Stelleinheit 12 eingestellt.
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Wie
dem Schnitt durch den Verdichter nach 2 zu entnehmen,
ist in dem Verdichtereinlasskanal 16, welcher im Verdichtergehäuse 18 ausgebildet ist,
das Verdichterrad 13 mit der Verdichterradnabe 14 und
den darauf angeordneten Verdichterradschaufeln 15 drehbar
gelagert und über
die Welle 9 mit dem Turbinenrad gekoppelt. Im Verdichterbetrieb wird
das Verdichterrad 13 gemäß Pfeilrichtung 17 axial
von der herangeführten
Verbrennungsluft angeströmt.
Im Kaltluft-Turbinenbetrieb dagegen wird die Verbrennungsluft über einen
den Verdichtereinlasskanal 16 umgreifenden Zusatzkanal 19,
der über
eine axial verschiebliche Trennwand von dem Verdichtereinlasskanal
separiert ist, herangeführt
und trifft mit hoher Geschwindigkeit in Umfangsrichtung auf die Verdichterradschaufeln
auf, wobei in dem Mündungsquerschnitt
des Zusatzkanals 19 in den Verdichtereinlasskanal 16 ein
Drallgitter angeordnet sein kann. Durch axiale Verstellung der Trennwand 20 kann
der Mündungsquerschnitt
des Zusatzkanals 19 in den Verdichtereinlasskanal variiert
werden.
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Nachdem
die Verbrennungsluft die Verdichterradschaufeln passiert hat, strömt die Verbrennungsluft
auf der Abströmseite
des Verdichterrades über
einen Diffusor 21 in einen Spiralkanal 22, welcher
mit dem Ansaugrohr in Strömungsverbindung steht.
Der Diffusor 21 wird von einer festen Wandung und von einer
axial verstellbaren Wandung 24 begrenzt, wobei die verstellbare
Wandung 24 Teil einer Verstelleinrichtung 23 ist,
die mit dem Verdichtergehäuse
verbunden ist. Die Verstellein richtung 23 befindet sich
an einem Gehäusefortsatz,
der zwischen einer Stirnseite der Trennwand 20 und dem
Diffusor 21 angeordnet ist.
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Durch
Axialverstellung der Diffusorwandung 24 kann die Breite
b2 des Diffusors und damit der wirksame
Strömungsquerschnitt
im Diffusor beeinflusst werden. In 2 nimmt
der Strömungsquerschnitt
im Diffusor einen Minimalwert ein, die Diffusorwandung 24 befindet
sich dementsprechend in ihrer Minimalposition. Diese Position nimmt
die Diffusorwandung 24 während des Kaltluft-Turbinenbetriebes
des Verdichters ein.
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Die
Verstelleinrichtung 23 besteht aus einem Balg mit beweglichen
Seitenwänden,
deren eine Stirnseite von der verstellbaren Diffusorwandung 24 abgedeckt
ist. In dem Balg ist ein Federelement 25 angeordnet, welches
die verstellbare Diffusorwandung 24 in Richtung der Maximalposition
beaufschlagt, in der die Breite b2 des Diffusors
und damit auch der wirksame Strömungsquerschnitt
im Diffusor maximal ist.
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Gegebenenfalls
kann auf bewegliche Seitenwände
des Balgs verzichtet werden, sofern auf der dem Diffusor 21 abgewandten
Seite der beweglichen Diffusorwandung 24 ein abgeschlossener
Gasraum gebildet ist, dessen Gasinhalt mit dem Innendruck pd von dem umgebenden Gas druckdicht separiert
ist.
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Die
aktuelle Position der verstellbaren Diffusorwandung 24 bestimmt
sich nach den aktuellen Druckverhältnissen mit dem Saugrohrdruck
p2, welcher sich über den Spiralkanal 22 auch
bis in den Diffusor 21 hinein auswirkt, und dem Innendruck
pd im Balg der Verstelleinrichtung 23 sowie
der Federkraft des Federelementes 25. Das Federelement 25 ist
bestrebt, die Diffusorwandung 24 in die Öffnungs-
bzw. Maximalposition zu verstellen. Nimmt der Saugrohrdruck p2 einen Unterdruckwert ein, was bei niedrigen Lasten
und Drehzahlen der Brennkraftmaschine der Fall ist, so wirkt der
Unterdruck auf der Außenseite der
verstellbaren Diffusorwandung 24 und beaufschlagt die Diffusorwandung 24 in
Richtung ihrer den Strömungsquerschnitt
im Diffusor reduzierenden Minimalposition. Der Innendruck pd im Balg der Verstelleinrichtung 23 hat
die Funktion einer zusätzlichen Stellgröße, über die
die aktuelle Position der Diffusorwandung 24 beeinflussbar
ist. Bei einem hohen Innendruck pd wird
die Diffusorwandung 24 in Richtung ihrer Minimalposition
und bei einem niedrigen Innendruck pd in
Richtung ihrer Maximalposition beaufschlagt.
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In
der in 2 dargestellten Minimalposition mit minimalem
Strömungsquerschnitt
im Diffusor 21 wird die relative Austrittsgeschwindigkeit
der Verbrennungsluft angehoben, wodurch ein die Rotation des Verdichterrades
hemmender Drall der Verbrennungsluft reduziert und gegebenenfalls
in einen antreibenden Drall gewandelt wird. Im Ergebnis wird hierdurch
die Leistungsabgabe des Verdichterrades im Kaltluft-Turbinenbetrieb angehoben.
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In 3 ist
die Diffusorwandung 24 in der Maximalstellung gezeigt,
in der die Breite b2 im Diffusor und damit
auch der wirksame Strömungsquerschnitt
einen Maximalwert einnimmt. Diese Position wird im regulären Verdichterbetrieb
erreicht, bei dem der Verdichter die axial gemäß Pfeilrichtung 17 herangeführte Verbrennungsluft
auf einen erhöhten
Ladedruck verdichtet. In diesen Fällen ist der von der Brennkraftmaschine
angeforderte Saugrohrdruck p2 höher als
der Atmosphärendruck.
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Wie
in 3 außerdem
dargestellt, kann der Innendruck pd in der
als Balg ausgeführten
Verstelleinrichtung 23 über
eine Druckleitung 26 und einen Druckregler 27 veränderlich
eingestellt werden. Dem Druckregler 27 wird als Stellgröße der Saugrohrdruck p2 zugeführt,
welcher beispielsweise im Spiralkanal 22 abgegriffen werden
kann, gegebenenfalls aber auch weiter stromab des Verdichters. Über die
Regulierung des Innendrucks pd in der Verstelleinrichtung 23 kann
die aktuelle Position der verstellbaren Diffusorwandung 24 aktiv
beeinflusst werden. Möglich
ist sowohl eine stationäre
Einstellung des Innendrucks pd, bei der
der Innendruck pd über unterschiedliche Betriebszustände der
Brennkraftmaschine konstant bleibt, als auch eine dynamische Einstellung,
bei der der Innendruck für
verschiedene Betriebszustände einen
unterschiedlichen Wert einnimmt; im letzteren Fall fungiert die
Verstelleinrichtung 23 als aktives Stellelement.