DE102005045194B4

DE102005045194B4 - Leiteinrichtung für einen Turboverdichter einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005045194B4
Application number: DE102005045194.2A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wittek
Original assignee: FEV GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: DE102005045194A1

Abstract

Leiteinrichtung für einen Turboverdichter einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ansaugkanal (2) und eine darin angeordnete Verstelleinrichtung (4) mit im wesentlichen kreisausschnittförmigen, verstellbaren Leitkörpern (7) für Ansaugluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstelleinrichtung (4) ein Dralleinsatz (3) mit im wesentlichen kreisausschnittförmigen Leitkörpern (9) nachgeschaltet ist, wobei die Leitkörper (7) der Verstelleinrichtung (4) auf einer mit einem Stellantrieb gekoppelten Welle (6) angeordnet und gegenüber den Leitkörpern (9) des Dralleinsatzes (3) bis zum vollständigen Absperren des Durchtrittsquerschnittes der letzteren verdrehbar sind, wobei die Leitkörper (9) des Dralleinsatzes (3) mit Dralldüsen (12) versehen sind, die bei durch die Leitkörper (7) der Verstelleinrichtung (4) geschlossenem Durchtrittsquerschnitt des Dralleinsatzes (3) freigebbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiteinrichtung für einen Turboverdichter einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus DE 102 52 767 A1 ist ein Turboverdichter mit einem einstellbaren, kolbenförmigen Absperrorgan im Ansaugkanal vor dem Verdichterrad bekannt, bei dem zusätzlich eine am Ende eines ringförmigen Bypasskanals benachbart zum Verdichterrad mündende, eine Schiebehülse umfassende Einrichtung vorgesehen ist, die der durch den Bypasskanal strömenden Ansaugluft einen Drall zum entsprechenden Beschleunigen des Verdichterrads verleiht und die durch entsprechendes Verschieben des Absperrorgans im Endbereich von dessen Hub zum Verschließen des Bypasskanals gegen Federkraft mitgenommen wird. Diese Konstruktion vereinigt zwar Absperr- und Drallerzeugungsfunktion, ist jedoch sehr aufwendig.
Aus EP 0 090 122 A2 ist ein Turboverdichter mit einer Leiteinrichtung bekannt, die von außen verstellbare radiale Leitschaufeln aufweist. Dabei ist separat eine Drosselklappe zur Begrenzung des Volumenstroms vorgesehen, deren Verstellung zu einer gleichzeitigen Verstellung der Schaufeln der Leiteinrichtung unabhängig von Motorlast und Drehzahl genutzt wird, wodurch sich eine aufwendige und raumgreifende Konstruktion ergibt.
Aus DE 102 61 789 A1 ist eine Leiteinrichtung für einen Turboverdichter bekannt, der mehrere im Anströmbereich eines Verdichterrads angeordnete Leitschaufeln aufweist, deren drallerzeugender Schaufelwinkel in Abhängigkeit des Luftvolumenstroms durch den Turboverdichter verstellbar ist, indem sich die Leitschaufeln entsprechend den Strömungsverhältnissen verformen. Hierbei nimmt die Drallfunktion mit zunehmendem Durchtrittsquerschnitt ab, abgesehen davon, daß keine Drosselfunktion erzielbar ist.
Aus DE 34 13 304 A1 ist eine Leiteinrichtung mit verstellbarer Leitbeschaufelung für eine Turbomaschine, etwa einen Abgasturboverdichter, bekannt, wobei ein Innenring vorgesehen ist, an dem sich ein Teil der Leitschaufeln befindet, während ein anderer Teil an einem Außenring angeordnet ist, wobei die Leitschaufeln sämtlich in der gleichen Ebene liegen und etwa rechteckig ausgebildet sind. Die Ringe sind relativ zueinander drehbar, so daß sich eine stufenlos verstellbare Konstruktion ergibt, die allerdings nicht vollständig drosseln kann, sondern immer einen Durchtrittsquerschnitt beläßt.
Aus DE 36 13 857 A1 ist eine Leiteinrichtung bekannt, bei der Leitschaufeln vorgesehen sind, die jeweils individuell von außen drehbar sind, was nicht nur aufwendig ist, sondern auch keine vollständige Drosselung ermöglicht.
DE 196 02 106 C2 offenbart ein Drehscheibenventil zur Steuerung eines Fluidstroms mit einer in einem Gehäuse verdrehfest gelagerten, mit Durchflußöffnungen versehenen ersten Scheibe und einer in dem Gehäuse verdrehbar gelagerten, an der ersten Scheibe anliegenden und mit Durchflußöffnungen versehenen zweiten Scheibe, wobei die Durchflußöffnungen beider Scheiben sich in einer ersten Stellung, der Durchflußstellung, gegenüberstehen und den Fluidstrom freigeben, und in einer zweiten Stellung, der Schließstellung, gegeneinander versetzt sind und den Fluidstrom sperren.
DE 29 47 229 C3 offenbart ein Steuerscheibenventil, insbesondere für den Sanitärbereich, mit zwei koaxialen, mit Durchtrittsöffnungen versehenen Steuerscheiben, wobei mindestens eine Durchtrittsöffnung an mindestens einer Steuerscheibe eine in Umfangsrichtung verlaufende (azimutale) Begrenzungslinie aufweist, deren radialer Abstand vom Mittelpunkt der Steuerscheiben variiert.
DE 10 2005 019 896 A1 offenbart 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, wobei die festen Bereiche der Leitschaufeln mit einem Trägerabschnitt und die verstell- und/oder verformbaren Bereiche der Leitschaufeln mit einem Stellabschnitt verbunden sind.
Ein Drehscheibenventil zur Steuerung eines Fluidstroms ist auch aus der US 2 470 488 A bekannt.
EP 1 416 123 A2 offenbart eine Drallerzeugungseinrichtung zur drallbeaufschlagten Anströmung eines Verdichterlaufrades eines Verdichters mit einem Verdichtergehäuse und einer Ladeluftsaugleitung, wobei ein in das Verdichtergehäuse und/oder in die Ladeluftsaugleitung einschiebbarer, dem Verdichterlaufrad vorgeordneter Drallerzeuger vorgesehen ist, das Verdichtergehäuse ladeluftsaugseitig zur Verbindung mit der Ladeluftsaugleitung stutzenartig ausgebildet ist und der Drallerzeuger im Verbindungsbereich zwischen Ladeluftsaugleitung und Verdichtergehäuse angeordnet ist.
JP 2001 132856 A betrifft ein Durchflussregelventil mit einem drehbaren Ventilelement für einen Fluiddurchgang mit einer Hilfsöffnung, wobei in einem Drehbereich des Ventilelements, in dem die Hilfsöffnung mit dem Fluiddurchgang in Verbindung steht, der Durchtrittsquerschnitt der Ventilöffnung extrem vergrößert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leiteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion sowohl Drallerzeugung als auch Drosselung ermöglicht.
Die Erfindung betrifft daher eine Leiteinrichtung für einen Turboverdichter einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ansaugkanal und einer darin angeordneten Verstelleinrichtung mit im wesentlichen kreisausschnittförmigen, verstellbaren Leitkörpern für Ansaugluft, wobei der Verstelleinrichtung ein Dralleinsatz mit Leitkörpern nachgeschaltet ist und die Leitkörper der Versteileinrichtung auf einer mit einem Stellantrieb gekoppelten Welle angeordnet und gegenüber den Leitkörpern des Dralleinsatzes derart verdrehbar sind, daß die Leitkörper zum Freigeben des maximalen Durchtrittsquerschnitts zur Deckung gebracht werden bzw. die Leitkörper der Verstelleinrichtung die Zwischenräume zwischen den Leitkörpern des Dralleinsatzes verschließen, so daß kein Durchtrittsquerschnitt mehr vorhanden ist. Dabei sind die Leitkörper des Dralleinsatzes mit einer Dralldüse versehen sind, die bei durch die Leitkörper der Verstelleinrichtung geschlossenem axialem Durchtrittsquerschnitt des Dralleinsatzes freigebbar sind. Diese Dralldüsen können bei ansonsten geschlossenem Durchtrittsquerschnitt zumindest teilweise geöffnet werden, um das sich anschließende Verdichterrad durch entsprechend drallbeaufschlagte Luft anzutreiben.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1a zeigt schematisiert perspektivisch eine Leiteinrichtung eines Turboverdichters für eine Brennkraftmaschine.
1b zeigt schematisiert im Axialschnitt die Leiteinrichtung von 1a.
1c zeigt perspektivisch einen Einsatz für die Leiteinrichtung von 1a, 1b von der Seite des Verdichterrades her gesehen.
2a bis 2f zeigen jeweils eine Stirnansicht der Leiteinrichtung von 1a, 1b mit unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitten für Ansaugluft.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Gehäuse 1 vorgesehen, in dem ein Ansaugkanal 2 als Verdichtereinlauf ausgebildet ist, der zwei aufeinanderfolgende, gestufte, zylindrische Abschnitte 2a, 2b und einen sich verengenden Übergangsabschnitt 2c benachbart zu einem (nicht dargestellten) Verdichterrad aufweist.
In den mittleren Abschnitt 2b ist ein Dralleinsatz 3 feststehend eingesetzt. Vor dem Dralleinsatz 3 ist in den Abschnitt 1b eine verstellbare Verstelleinrichtung 4 eingesetzt.
Die in das Gehäuse 1 eingesetzte Verstelleinrichtung 4 besitzt mindestens zwei (im dargestellten Ausführungsbeispiel vier) auf einer Welle 6 kranzförmig angeordnete, im wesentlichen kreisausschnittförmige Leitkörper 7, die sich in Umfangsrichtung in äquidistantem Abstand zueinander befinden, so daß sich hierzwischen Zwischenräume 8 für den Durchtritt von Ansaugluft befinden. Die Leitkörper 7 sind am Umfang durch einen Ring 5 versteift. Die Welle 6 ist über einen nicht dargestellten Stellantrieb verstellbar und gegebenenfalls zusätzlich im Dralleinsatz 3 gelagert. Der Kranz von Leitkörpern 7 erstreckt sich somit über den Querschnitt des Ansaugkanals 2.
Die Welle 6 ist leicht aus einem vorgeschalteten Ansaugkrümmer herausführbar und dort mit dem Stellantrieb koppelbar.
Der Dralleinsatz 3 besitzt mehrere (im dargestellten Ausführungsbeispiel vier) im wesentlichen kreisausschnittförmige, zueinander äquidistant in Umfangsrichtung beabstandete Leitkörper 9, so daß sich hierzwischen Zwischenräume 10 für den Durchtritt von Ansaugluft befinden. Die dem Dralleinsatz 3 zugewandten Seiten der Leitkörper 7 der Verstelleinrichtung 4 sind ebenso wie die Stirnflächen der Leitkörper 9 des Dralleinsatzes 3 plan, wobei die Leitkörper 7 der Verstelleinrichtung 4 die Zwischenräume 10 der Leitkörper 9 des Dralleinsatzes 3 in Schließstellung überdecken. Die Leitkörper 9 sind am Außenumfang durch einen Ring 11 miteinander verbunden.
Wenn x die Anzahl der Leitkörper 7, 9 ist, erstrecken sich diese über einen Winkelbereich von 360°/x + β, d. h. beim Ausführungsbeispiel mit vier Leitkörpern über 90° + β.
Insbesondere haben die Leitkörper 7, 9 in einer Radialebene gesehen etwa gleiche Größe, d. h. sie sind deckungsgleich, so daß sie im Vollastfall genau hintereinander angeordnet sind, vgl. 2a.
Damit die Ansaugluft mit möglichst geringem Widerstand dem Verdichterrad zuströmen kann, ist es zweckmäßig, die Leitkörper 7, 9 ähnlich eines Tragflügels strömungsgünstig auszugestalten.
Bei Verdrehung der Leitkörper 7 der Verstelleinrichtung 4 gegenüber den Leitkörpern 9 des Dralleinsatzes 3 wird der freie axiale Durchströmquerschnitt zunehmend versperrt, so daß sich eine zunehmende Drosselung entsprechend dem jeweiligen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine ergibt.
Die Leitkörper 9 des Dralleinsatzes 3 besitzen ferner jeweils eine von einem schmalen, etwa schlitzförmigen Durchtrittskanal gebildete Dralldüse 12. Sie erstrecken sich zweckmäßigerweise vom Außenumfang des Dralleinsatzes 3 eintrittsseitig radial einwärts und sind zwecks Drallerzeugung zur Austrittsseite hin entsprechend spiralig gekrümmt. Hindurch strömende Ansaugluft wird daher das Verdichterrad entsprechend drallbeaufschlagen, so daß dieses bei einem Sprung auf eine höhere Last weniger stark beschleunigt werden muß.
Die Dralldüsen 12 sind vorteilhafterweise als Lavaldüsen ausgebildet. Hierdurch können auch überkritische Druckverhältnisse verlustfrei genutzt und eine maximale Austrittsgeschwindigkeit der Luft (auch Überschall) aus den Dralldüsen 12 erreicht werden.
Außerdem ist es zweckmäßig, die Dralldüsen 12 jeweils um etwas mehr als ihre Breite in Umfangsrichtung zueinander derart zu versetzen, daß durch Verdrehen der Leitkörper 7 aus der vollkommen geöffneten Stellung gemäß 2a beim nachfolgenden Schließen zunächst alle Dralldüsen 12 geöffnet werden und danach jeweils eine Dralldüse 12 mehr geschlossen wird, vgl. 2b, 2c, 2d, 2e und 2f, in der der Durchtrittsquerschnitt gänzlich verschlossen ist. Wenn das Verdrehen dabei stufenweise erfolgt, tritt bezüglich der Dralldüsen 12 keine verlustbehaftete Drosselung ein.
Die Dralldüsen 12 können ferner unterschiedliche Querschnitte aufweisen, so daß sich eine entsprechende Variabilität des hierdurch verschließbaren Durchtrittsquerschnitts infolge entsprechender Verstellung der Leitkörper 7 ergibt.
Der Winkel α_zu, über den sich jeweils die Leitkörper 7 erstrecken, muß um den Betrag α_Drall größer sein als der freie Winkel α_frei des Dralleinsatzes 3, d. h. α_zu = α_frei + α_Drall
Der Winkel α_Drall stellt den Verdrehbereich während der Drallbetriebsphase dar, in der der Durchtrittsquerschnitt auf denjenigen zumindest einer der Dralldüsen 12 beschränkt ist.
Um im Vollastfall gemäß 2a keinen zusätzlichen Widerstand zu erzeugen, ist es zweckmäßig, den Durchmesser des Dralleinsatzes 3 und des aus den Leitkörpern 7 und der Welle 6 gebildeten Drehkörpers entsprechend größer als der Durchmesser am Verdichtereintritt zu wählen, damit der axiale Durchströmquerschnitt dem Querschnitt am Verdichtereintritt entspricht.
Der Dralleinsatz 3 und die Verstelleinrichtung 7 können beispielsweise aus Kunststoff oder einer Aluminiumlegierung durch Spritzgießen bzw. Druckgießen hergestellt sein.
Eine bezüglich des Betriebspunktes des Turboverdichters bzw. der Brennkraftmaschine optimale Einstellung des Dralls ist möglich, d. h. daß die Verstellung der Leiteinrichtung entsprechend dem Kennfeld des Turboverdichters steuerbar ist.
Gegebenenfalls kann neben der Leiteinrichtung eine Bypass-Anordnung beispielsweise in Form eines Ventils oder eine Klappe vorgesehen sein, um als Kurzschlußpfad für die Strömung um das Verdichterrad bei speziellen Bedingungen, etwa an der Pumpgrenze, zu dienen.

Claims

Leiteinrichtung für einen Turboverdichter einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Ansaugkanal (2) und eine darin angeordnete Verstelleinrichtung (4) mit im wesentlichen kreisausschnittförmigen, verstellbaren Leitkörpern (7) für Ansaugluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstelleinrichtung (4) ein Dralleinsatz (3) mit im wesentlichen kreisausschnittförmigen Leitkörpern (9) nachgeschaltet ist, wobei die Leitkörper (7) der Verstelleinrichtung (4) auf einer mit einem Stellantrieb gekoppelten Welle (6) angeordnet und gegenüber den Leitkörpern (9) des Dralleinsatzes (3) bis zum vollständigen Absperren des Durchtrittsquerschnittes der letzteren verdrehbar sind, wobei die Leitkörper (9) des Dralleinsatzes (3) mit Dralldüsen (12) versehen sind, die bei durch die Leitkörper (7) der Verstelleinrichtung (4) geschlossenem Durchtrittsquerschnitt des Dralleinsatzes (3) freigebbar sind.
Leiteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (4) und der Dralleinsatz (3) in einem den Ansaugkanal (2) begrenzenden Gehäuse (1) angeordnet sind.
Leiteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkörper (7, 9) der Verstelleinrichtung (4) und des Dralleinsatzes (3) an zueinander benachbarten Stirnseiten plan sind.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkörper (7) der Verstelleinrichtung (4) drallerzeugend ausgebildet sind.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralldüsen (12) Lavaldüsen sind.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralldüsen (12) nacheinander freigegebbar sind.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung (4) zur Freigabe der Dralldüsen (12) um eine entsprechende schrittweise Drehung verstellbar ist.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralldüsen (12) unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitt aufweisen.
Leiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Verstelleinrichtung (4) und des Dralleinsatzes (3) größer als der des diesbezüglich stromaufwärtigen Ansaugkanals (2) ist.