DE102005019896A1 - Drallerzeugungseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrads, insbesondere eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine, mit jeweils einen festen und einen verstell- und/oder verformbaren Bereich aufweisenden elastischen Leitschaufeln, wobei die festen Bereiche der Leitschaufeln mit einem Trägerabschnitt und die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der Leitschaufeln mit einem Stellabschnitt verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrads, insbesondere eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine, mit jeweils einen festen und einen verstell- und/oder verformbaren Bereich aufweisenden elastischen Leitschaufeln.
  • In Hinblick auf eine Leistungssteigerung und/oder zur Verbesserung des Wirkungsgrades sowie auch der Abgasqualität ist es bekannt, Brennkraftmaschinen mit verdichteter Luft zu beaufschlagen; in diesem Zusammenhang haben sich beispielsweise abgasgetriebene Turbolader bewährt.
  • Der Betrieb derartiger Verdichter erfolgt aufgrund der besseren Dynamikeigenschaften häufig nahe der Pumpgrenze im Verdichterkennfeld, was allerdings akustische Nachteile in Form sehr störender Zischgeräusche bedingt, gegebenenfalls führt die Instabilität bei länger andauerndem Betrieb in diesem Bereich sogar zu Schäden am Verdichterlaufrad. Ferner ist der Betrieb im Bereich der Pumpgrenze in besonderem Maße verlustbehaftet, so dass sich ein sehr schlechter Wirkungsgrad ergibt. Auch im Zusammenhang mit (Kreisel-)Pumpen im Allgemeinen stellen sich die beschriebenen Probleme.
  • Eine Möglichkeit zur Abhilfe besteht bei Abgasturboladern im geregelten Betrieb, wobei zwischen turbinen- und verdichterseitiger Regelung unterschieden wird. Im Rahmen einer verdichterseitigen Regelung können dem Verdichterlaufrad vorgeordnete Luftleitgitter zur Anwendung kommen.
  • Beispielsweise beeinflusst ein verdichtereingangsseitig angeordneter Drallerzeuger am Verdichtereintritt die Strömungsrichtung der Luft derart, dass es im kritischen Kennfeldbereich zu einer Reduktion der Eintrittsstoßverluste am Schaufelrad kommt. Es wird somit eine vorteilhafte Verschiebung der Pumpgrenze in Richtung kleinerer Massenströme erreicht.
  • Als besonders günstig hat sich eine wie mit der EP 1 416 123 A2 offenbarte Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Laufrads eines Verdichters oder einer Pumpe erwiesen, welche einen in das Gehäuse und/oder in die Saugleitung einbringbaren, dem Laufrad vorgeordneten Drallerzeuger aus Kunststoff mit elastisch verformbaren Leitschaufeln aufweist und die in vollem Umfang mit allen Merkmalen zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehört. Ferner wird zum technologischen Hintergrund auf die DE 2 060 271 A1 verwiesen, welche ein Verfahren zur selbsttätigen Einstellung des Eintrittsdralles bei Verdichtern von Abgasturboladern sowie einen Leitapparat dazu beschreibt.
  • Die bekannten Drallerzeuger sind aufgrund der Verstellung durch die Gaskraft selbst zwar vom Massendurchsatz abhängig verstell- bzw. verformbar, es hat sich jedoch gezeigt, dass in bestimmten Betriebssituationen diese gaskraftabhängige Regelung alleine nicht ausreichend ist.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist, eine eingangs genannte Drallerzeugungseinrichtung bereitzustellen, welche auch unabhängig von den auf sie wirkenden aerodynamischen Kräften aktiv steuer-/regelbar ist.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Anspruchs 1, wobei gemäß der zugrundeliegenden Idee die festen Bereiche der Leitschaufeln mit einem Trägerabschnitt und die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der Leitschaufeln mit einem Stellabschnitt verbunden sind. Der Trägerabschnitt ist verdichtergehäusefest angeordnet, ihm gegenüber ist der Stellabschnitt verstellbar.
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.
  • Sehr vorteilhaft ist es, wenn die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der elastischen Leitschaufeln endseitig mit einem ringförmig ausgebildeten Stellabschnitt verbunden sind. Eine Verstellung der Drallerzeugungseinrichtung kann durch Drehung des ringförmig ausgebildeten Stellabschnitts erfolgen. Zweckmäßigerweise weist der Stellabschnitt eine Verzahnung zur Antriebsverbindung mit einem Antrieb auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Antrieb mittels einer Steuereinrichtung auf Basis von Eingangsgrößen, wie Brennkraftmaschinendrehzahl, Turboladerdrehzahl, Abgasdruck, Abgasmassenstrom oder Ladeluftmassenstrom und/oder in der Steuereinrichtung hinterlegter Parameter steuerbar.
    •
  • Nachfolgend wird ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert, welche schematisch und beispielhaft eine Drallerzeugungseinrichtung im Anströmbereich eines Verdichterlaufrads eines abgasgetriebenen Turboladers für eine Brennkraftmaschine zeigt.
  • In der Figur ist ein Radialverdichter 122 eines hier nicht näher dargestellten Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine mit einer saugseitigen Drallerzeugungseinrichtung 100 dargestellt. Der Verdichter umfasst ein in einem Gehäuse 118 angeordnetes Laufrad 116 mit Laufradschaufeln, welches mittels einer Abgasturbine über eine Welle angetrieben ist. Dabei wird entsprechend der Pfeilrichtung a Ladeluft über eine Ladeluftsaugleitung 120 angesaugt und über einen Diffusorkanal sowie einen Spiralkanal in eine Ladeluftdruckleitung gefördert; gegebenenfalls wird der Ladeluft über eine Leitung 124 rückgeführtes Abgas und/oder Blow-By-Gas zugemischt.
  • Um eine drallbeaufschlagte, gerichtete Anströmung der Laufradschaufeln zu erreichen, ist im Anströmbereich der Drallerzeuger 102 vorgesehen. Gemäß der vorliegenden Ausführung umfasst der Drallerzeuger 102 vier Leitschaufeln 104, deren Austrittswinkel gegenüber der Anströmrichtung kontinuierlich zwischen 0° und ca. 75° variierbar ist. Da eine starre Auslegung eines Drallerzeugers immer einen Kompromiss zwischen akustischem und Volllast-Verhalten des Verdichters darstellt, sind die Leitschaufeln 104 des Drallerzeugers 102 abhängig vom Massendurchsatz verstell- bzw. verformbar. Zu diesem Zweck weisen die Leitschaufeln 104 jeweils einen festen und einen verstell- und/oder verformbaren Bereich auf und sind elastisch ausgebildet, wobei die festen Bereiche der Leitschaufeln 104 anströmseitig angeordnet und mit einem Trägerabschnitt 106 und die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der Leitschaufeln 104 laufradseitig angeordnet und mit einem Stellabschnitt 108 verbunden sind.
  • Der Drallerzeuger 102 ist einteilig in Spritzgussverfahren aus einem relativ weichen, thermoplastischen Kunststoff mit einer Härte von ca. 45 Shore D hergestellt, so dass die Flügel 104 die erforderliche Flexibilität aufweisen.
  • Die Bereiche, welche eine höhere Stabilität erfordern – wie Trägerabschnitt 106, die Anströmkanten der Flügel 104 und der Achsbereich – sind konstruktiv insbesondere mittels Verseifungsrippen oder Materialverstärkungen entsprechend ausgestaltet. Gegebenenfalls – insbesondere wenn ein Zurückströmen heißer Ladeluft aus dem Verdichter nicht wirksam verhindert werden kann – kann der Drallerzeuger 102 auch glasfaserverstärktes Polyamid oder Metall umfassen. Aufgrund der bei der Ladeluftverdichtung auftretenden hohen Temperaturen ist das Verdichtergehäuse 118 aus Aluminiumguss gefertigt; das Ladeluftsaugrohr 120 besteht aus glasfaserverstärktem Polyamid.
  • Die Flügel 104 erstrecken sich ausgehend von den Anströmkanten in der mit a gekennzeichneten Strömungsrichtung und weisen dabei zur Drallerzeugung eine Krümmung in radialer Richtung auf. Vorliegend wird die Strömung a in einen Rechtsdrall versetzt, wobei die Richtung der Flügelkrümmung selbstverständlich von der Drehrichtung des im Strömungsverlauf nachfolgenden Pumpen- oder Verdichterlaufrades 116 abhängt.
  • Die Flügel 104 sind an ihrer radial inneren Seite im Drallerzeugerachsbereich ausgehend von den Anströmkanten in Achsrichtung über ca. ihre halbe Länge miteinander verbunden, so dass jeweils ein freies, besonders verformbares Flügelende verbleibt. Radial außenseitig kann sich die Flügelkrümmung vom freien Flügelende bis in den Bereich der Anströmkante fortsetzen, da hier die Flügel 104 nicht festgelegt sind.
  • In Montagelage ist der Drallerzeuger 102 im Bereich zwischen Saugleitung 120 und Pumpen- bzw. Verdichtergehäuse 118 an seinem ringförmigen Trägerabschnitt 106 festgelegt, so dass die diesen Abschnitt 106 in axialer Richtung überragenden Bereiche, wie Anströmkanten und Flügel 104, zur Aufnahme im Saugrohr oder im Ansaugstutzen einen verringerten Durchmesser aufweisen. In Hinblick auf einen günstigen Strömungsverlauf ist der angeströmte Drallerzeugerachsbereich kegelig ausgebildet, die Flügelkanten sind in Strömungsrichtung a auf einen geringeren Durchmesser zurückgezogen, die Abschlüsse sind gerundet.
  • Als Montagehilfe und um eine radial vorgespannte Dichtung in der Saugleitung bzw. im Pumpen- oder Verdichtergehäuse zu gewährleisten, ist der ringförmige Trägerabschnitt 106 des Drallerzeugers 102 außenseitig schräg ausgestaltet, sodass ein Einschub nur in richtiger Richtung möglich ist.
  • Mit den verformbaren Bereichen der elastischen Leitschaufeln 104 ist ein ringförmiger Stellabschnitt 108 verbunden. Der Stellabschnitt 108 weist außenseitig eine Verzahnung 110 auf, welche mit einem Zahnrad 112 in Eingriff steht. Zum Antrieb des Zahnrads 112 ist ein Antrieb 114 vorgesehen. Zweckmäßigerweise ist der Antrieb 114 ein mittels einer Steuereinrichtung steuerbarer elektromotorischer Stelltrieb, wie Schrittmotor. Die Steuerung des Antriebs 114 erfolgt auf Basis von Eingangsgrößen, wie Brennkraftmaschinendrehzahl, Turboladerdrehzahl, Abgasdruck, Abgasmassenstrom oder Ladeluftmassenstrom und/oder in der Steuereinrichtung hinterlegter Parameter. Der Antrieb 114 ist in Hinblick auf eine kompakte Bauweise koaxial zum Zahnrad 112 auf der Seite angeordnet, in welche sich auch der Drallerzeuger 102 erstreckt. Der Kraftfluss bei Verstellung der Leitschaufeln 104 wird geschlossen, indem sowohl der Trägerabschnitt 106 als auch der Antrieb 114 gehäusefest festgelegt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Trägerabschnitt 106 auch direkt mit dem Antrieb 114 verbunden sein.
  • Bei einem größer werdenden Ladeluftmassenstrom werden die Leitschaufeln 104 in Richtung kleinerer Austrittswinkel, bei einem kleiner werdenden Ladeluftmassenstrom in Richtung größerer Austrittswinkel verstellt. Die aktive Verstellung mittels des Antriebs 114 ermöglicht jedoch auch eine vom Ladeluftmassenstrom unabhängige Verstellung bzw. die Einbeziehung weiterer Parameter. Insbesondere kann der Drallerzeuger 102 deaktiviert werden, indem die Leitschaufeln 104 zumindest annähernd gerade gestellt werden.

Claims (5)

  1. Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrads, insbesondere eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine, mit jeweils einen festen und einen verstell- und/oder verformbaren Bereich aufweisenden elastischen Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass die festen Bereiche der Leitschaufeln (104) mit einem Trägerabschnitt (106) und die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der Leitschaufeln (104) mit einem Stellabschnitt (108) verbunden sind.
  2. Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der elastischen Leitschaufeln (104) endseitig mit einem ringförmig ausgebildeten Stellabschnitt (108) verbunden sind.
  3. Drallerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellabschnitt (108) eine Verzahnung (110) zur Antriebsverbindung mit einem Antrieb (114) aufweist.
  4. Drallerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (114) mittels einer Steuereinrichtung steuerbar ist.
  5. Drallerzeugungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (114) auf Basis von Eingangsgrößen, wie Brennkraftmaschinendrehzahl, Turboladerdrehzahl, Abgasdruck, Abgasmassenstrom oder Ladeluftmassenstrom und/oder in der Steuereinrichtung hinterlegter Parameter gesteuert wird.
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