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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere
einen Abgasturbolader für ein
Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 0 571 205 B1 ist
eine Ladeeinrichtung mit einem Gehäuse sowie einem Turbinenradraum
und einem darin drehbar gelagerten Turbinenrad bekannt. Im Gehäuse verläuft ringförmig um
den Turbinenradraum herum ein Einlasskanal, welcher insbesondere
für aus
einem Verbrennungsmotor stammende Abgase vorgesehen ist. Dieser Einlasskanal
ist über
eine als Ringspalt ausgebildete Düse mit dem Turbinenradraum
kommunizierend verbunden, wobei die Düse derart ausgestaltet ist, dass
diese durchströmendes
Gas das Turbinenrad antreibt. Zur Steuerung von unterschiedlichen
Lastzuständen
des Verbrennungsmotors ist ein Stellelement vorgesehen, über welches
ein Strömungsquerschnitt
der Düse
veränderbar
ist.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung
eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, welche sich insbesondere durch eine verbesserte Steuerungsmöglichkeit
auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Stellelement
zur Steuerung eines Gaseinlasses in einem mit einem Turbinenrad
bestückten
Turbinenradraum so auszubilden, dass von dem Stellelement eine sich
im wesentlichen über
die gesamte radiale Höhe
des Einlasskanals erstreckende Wandung des Einlasskanals gebildet
wird. Hierdurch ist es im Unterschied zum Stand der Technik möglich, nicht
nur einen Strömungsquerschnitt
einer Düse
zu verändern,
sondern auch einen Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals, wodurch eine besonders exakte Steuerung der dem
Turbinenrad zugeführten Gasmenge
ermöglicht
wird. Der Turbinenradraum liegt in einem Gehäuse der Ladeeinrichtung und
ist ringförmig
von oben genanntem Einlasskanal umgeben. Der Einlasskanal ist dabei
insbesondere für
aus einem Verbrennungsmotor stammende Abgase vorgesehen und kommuniziert
mit dem Turbinenradraum über
eine als Ringspalt ausgebildete Düse. Der über die Düse in den Turbinenradraum einströmende Gasstrom
treibt dabei das Turbinenrad an. Mit dem erfindungsgemäßen Stellelement
ist es erstmals möglich,
den Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals und optional zusätzlich den Strömungsquerschnitt
der Düse
zu variieren, wodurch sich die Leistung der Ladeeinrichtung besonders
genau an temporär
auftretende Lastzustände
des Verbrennungsmotors anpassen lässt.
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Zweckmäßig ist
das Stellelement axial verstellbar im Einlasskanal angeordnet und
stufenlos zwischen einer ersten Endstellung über eine Zwischenstellung in
eine zweite Endstellung verstellbar, wobei eine Verstellbewegung
zwischen der ersten Endstellung und der Zwischenstellung ausschließlich einen
Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals verändert,
während
eine Verstellbewegung zwischen der zweiten Endstellung und der Zwischenstellung zusätzlich einen
Strömungsquerschnitt
der Düse
beeinflusst. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist es wahlweise
möglich
lediglich den Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals oder aber sowohl den Strömungsquerschnitt des Einlasskanals
als auch den Strömungsquerschnitt
der Düse
zu verändern.
Es wird somit eine schaltbare Ladeeinrichtung mit zwei Bereichen
geschaffen, mit welcher besonders effektiv auf die auftretenden
Lastzustandsänderungen
reagiert werden kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Be schreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei
zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung
mit einem Stellelement in einer ersten Endstellung,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch mit dem Stellelement
in einer zweiten Endstellung,
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3 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform
und einem Stellelement in seiner ersten Endstellung,
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4 eine
Darstellung wie in 2, jedoch mit dem Stellelement
in seiner zweiten Endstellung,
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5 eine
Ansicht auf die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung
mit einer erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung
zum Verstellen des Verstellelementes,
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6 eine
Darstellung wie in 5, jedoch mit einer anderen
Verstelleinrichtung,
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7 eine
Detailskizze der in 6 abgebildeten Verstelleinrichtung,
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8 einen
Längsschnitt
durch eine Ladeeinrichtung mit einer Verstelleinrichtung nach 7 und
mit einem Verstellelement in seiner ersten Endstellung,
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9 eine
Darstellung wie in 8, jedoch mit einem sich in
seiner zweiten Endstellung befindlichen Stellelement,
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10 eine
Detailansicht der Verstelleinrichtung aus den 6 bis 9.
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Entsprechend 1 weist
eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1,
welche insbesondere als Abgasturbolader für ein nicht dargestelltes Kraftfahrzeug
ausgebildet sein kann, ein Gehäuse 2 mit
einem darin angeordneten Turbinenradraum 3 auf. In dem Turbinenradraum 3 ist
ein drehbar gelagertes Turbinenrad 4 vorgesehen, welches über eine
Welle 5 mit einem nicht gezeigten und ebenfalls zur Ladeeinrichtung 1 gehörenden Verdichterrad
verbunden ist. Im wesentlichen ringförmig um den Turbinenradraum 3 herum
verläuft
ein Einlasskanal 6, welcher sich üblicherweise von einer Einlassöffnung 7 (vgl. 5) schneckenförmig zu
einer Düse 8 hin
windet. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich der Einlasskanal 6 ausgehend
von seiner Einlassöffnung 7 hin
zur Düse 8 verjüngt.
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In
dem Einlasskanal 6 werden von einem Verbrennungsmotor stammende
Abgase der Düse 8 zugeführt, wobei
die Düse 8 vorzugsweise
als Ringspalt ausgebildet ist und den Turbinenradraum 3 kommunizierend
mit dem Einlasskanal 6 verbindet. Die Düse 8 ist dabei so
ausgestaltet, dass durch den Einlasskanal 6 einströmendes Gas
das Turbinenrad 4 antreibt. Im weiteren Verlauf verlässt das
Abgas über einen
Turbinenauslass 9 die Ladeeinrichtung 1. Zur Anpassung
der Leistung der Ladeeinrichtung 1 an einen aktuell herrschenden
Motorbetriebszustand ist ein Stellelement 10 vorgesehen,
mit welchem ein Strömungsquerschnitt
der Düse 8 und
des Einlasskanals 6 veränderbar
ist. Das Stellelement 10 bildet dabei eine sich im wesentlichen über die
gesamte radiale Höhe
des Einlasskanals 6 reichende Wandung 11 des Einlasskanals 6.
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1 zeigt
dabei das erfindungsgemäße Stellelement 10,
welches axial verstellbar im Einlasskanal 6 angeordnet
ist, in seiner ersten Endstellung, in welcher der Einlasskanal 6 seinen
größten Strömungsquerschnitt
aufweist. Demgegenüber
zeigt 2 das Stellelement 10 in seiner zweiten
Endstellung, in welcher der Einlasskanal 6 seinen kleinsten Strömungsquerschnitt
aufweist. Generell ist dabei das Stellelement 10 stufenlos
zwischen seiner ersten Endstellung über eine Zwischenstellung in
seine zweite Endstellung verstellbar, wobei eine Verstellbewegung
zwischen der ersten Endstellung und der Zwischenstellung ausschließlich einen
Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals 6 verändert.
Die Zwischenstellung des Stellelementes 10 ist dabei an
der Stelle erreicht, an welcher die Wandung 11 mit einer Kante 12 eines Gehäuseteils 13 der
Ladeeinrichtung 1 fluchtet. Eine Verstellbewegung zwischen
der zweiten Endstellung (vgl. 2) und der
Zwischenstellung verändert
dabei zusätzlich
zum Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals 6 auch den Strömungsquerschnitt der Düse 8.
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Je
nach gewählter
Ausführungsform
ist es möglich,
den Strömungsquerschnitt
der Düse 8 und des
Einlasskanals 6 ausschließlich mit dem Stellelement 10 zu
beeinflussen (vgl. 3 und 4) oder eine
gestufte Beeinflussung der Strömungsquerschnitte
zu schaffen, wie in den 1 und 2 gezeigt
und wie im vorherigen Absatz beschrieben. Gemäß der Darstellungen in 3 und 4 wird
dabei der Strömungsquerschnitt
der Düse 8 nur
durch das Stellelement 10 variiert.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
dass die Wandung 11 des Stellelementes 10 entweder
eben (vgl. 1 und 2) oder
ballig bezüglich
des Einlasskanals 6 (vgl. 3 und 4)
ausgebildet ist.
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Zum
Verstellen des Stellelementes 10 sind eine Verstelleinrichtung 14 und
Betätigungsmittel 15 vorgesehen,
welche von außerhalb
des Gehäuses 2 mit
dem Stellelement 10 in Verbindung stehen. Die Verstelleinrichtung 14 kann
dabei beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden.
Eine erste Variante der Verstelleinrichtung 14 beziehungsweise
der zugehörigen
Betätigungsmittel 15 ist
dabei in den 1 bis 5 dargestellt, wobei
hier die Betätigungsmittel 15 insgesamt
drei Stangen 16a bis 16c sowie eine die drei Stangen 16a bis 16c verbindende
Kopplungseinrichtung 17 aufweisen. Die Kopplungseinrichtung 17 kann
dabei beispielsweise eine Koppelplatte oder ein Koppelkreuz sein,
wie dies in 5 dargestellt ist. Dabei weist
das Koppelkreuz eine der Anzahl der Stangen 16a bis 16c entsprechende
Anzahl an Armen auf. Die Verstelleinrichtung 14 ist über ein
Kopplungselement 18 mit der Kopplungseinrichtung 17 verbunden,
so dass die Verstelleinrichtung 14 das Stellelement 10 über die
Kopplungseinrichtung 17 und die insgesamt drei Stangen 16a,
b, c verstellt. Die Anzahl der Stangen 16 beträgt dabei
exemplarisch drei, wobei auch eine geringere oder eine höhere Anzahl
an Stangen 16 vorstellbar ist. Um mit dem Stellelement 10 verbunden
werden zu können,
sind die Stangen 16a, b, c durch zugehörige axial verlaufende Durchgangsöffnungen 19 geführt, wobei
die Durchgangsöffnungen 19 im
wesentlichen parallel zu einer Achse der Welle 5 im Gehäuseteil 13 angeordnet
sind.
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Im
Unterschied zu den 1 bis 5 ist in den 6 bis 10 eine
zweite Variante einer Verstelleinrichtung 14 gezeigt, wobei
hier als Betätigungsmittel 15 ein
Drehhebel 20 mit zwei drehfest daran angeordneten Hebelarmen 21 und 21' vorgesehen
ist. Die Hebearme 21, 21' sind dabei über zwei Kopplungsglieder 22, 22' mit dem Stellelement 10 gekoppelt
(vgl. 7). Außerhalb
des Gehäuseteils 13 ist
der Drehhebel 20 drehfest mit einem Dreharm 23 verbunden,
welcher seinerseits über
ein Kopplungselement 18' mit
der Verstelleinrichtung 14 gekoppelt ist. Um auch hier
eine Wirkungsverbindung zwischen der Verstelleinrichtung 14 und
dem Stellelement 10 realisie ren zu können, ist im Gehäuse 2 eine
Durchgangsöffnung 19' vorgesehen,
durch welche der Drehhebel 20 hindurchgeführt ist.
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In 8 ist
das Stellelement 10 in seiner ersten Endstellung dargestellt,
in welcher der Einlasskanal 6 seinen größten Strömungsquerschnitt aufweist. Demgegenüber zeigt 9 das
Stellelement 10 in seiner zweiten Endstellung, in welcher
der Einlasskanal 6 seinen kleinsten Strömungsquerschnitt aufweist.
Ebenfalls einen reduzierten Strömungsquerschnitt
weist gemäß 9 die
Düse 8 auf,
da das Stellelement 10 sich bezüglich seiner Verstellbewegung
zwischen der Zwischenstellung und der zweiten Endstellung befindet
und dabei bereits über
die Kante 12 hinaus verstellt ist.
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In 10 ist
das Stellelement 10 in seiner zweiten Endstellung gezeigt,
wobei die Verbindung zwischen dem Drehhebel 20 und dem
drehfest daran angeordneten Hebelarm 21 sowie dem Kopplungsglied 22 zwischen
dem Hebelarm 21 einerseits und dem Stellelement 10 andererseits
deutlich zu erkennen ist. Selbstverständlich ist denkbar, dass aufgrund unterschiedlicher
Länge zwischen
Hebelarm 21 einerseits und Dreharm 23 andererseits
zwischen einer Axialbewegung des Kopplungselementes 18' und einer Axialbewegung
des Stellelementes 10 eine Übersetzung erfolgen kann.
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Um
einen möglichst
hohen Wirkungsgrad der Ladeeinrichtung 1 zu erhalten, ist
das Stellelement 10 bezüglich
des Gehäuseteils 13 mittels
einer Dichtung 24 abgedichtet, wobei weite re Dichtungen 24 beispielsweise
in den Durchgangsöffnungen 19, 19' sowie zwischen
dem Stellelement 10 und einem weiteren Gehäuseteil 13' vorgesehen
sein können.
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Prinzipiell
funktioniert die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 wie
folgt:
Abgas von einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor wird über eine
Einlassöffnung 7 (vgl. 5)
in den Einlasskanal 6 geleitet und dort über die
Düse 8 dem Turbinenrad 4 zugeführt. Je
nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors ist dabei eine hohe
oder eine geringere Ladeleistung erforderlich, wozu das Stellelement 10 zwischen
seinen zwei Endstellungen (vgl. 1 und 2)
verstellt werden kann. Das über
das Turbinenrad 4 strömende
Abgas versetzt dabei das Turbinenrad 4 in eine Drehbewegung,
welche über
die Welle 5 auf das nicht gezeigtes Verdichterrad der Ladeeinrichtung 1 übertragen
wird. Eine Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades 4 hängt dabei
von der Strömungsgeschwindigkeit
des im Einlasskanal 6 und durch die Düse 8 strömenden Abgases
ab. Diese Strömungsgeschwindigkeit
kann durch ein Verändern
des Strömungsquerschnittes
des Einlasskanals 6 und/oder der Düse 8 beeinflusst werden.
In den 1 und 3 ist dabei die Strömungsgeschwindigkeit
im Einlasskanal 6 beziehungsweise durch die Düse 8 hindurch
geringer als in den 2 und 4, wodurch
die Ladeeinrichtung 1 eine geringere Ladeleistung aufweist.
Das Stellelement 10, welches zum Verändern des Strömungsquerschnittes
des Einlasskanals 6 und der Düse 8 verwendet wird,
kann dabei einen Hohlquerschnitt aufweisen, wo durch Gewicht eingespart
werden kann. Die Stellbewegung an sich wird von der Verstelleinrichtung 14 bewirkt,
welche über
ein nicht gezeigtes Motormanagementsystem angesteuert werden kann.
Befindet sich das Stellelement in seiner zweiten Endstellung (vgl. 2 und 4),
so reduziert es nicht nur einen Strömungsquerschnitt des Einlasskanals 6,
sondern auch einen Strömungsquerschnitt
der Düse 8, wodurch
die Geschwindigkeit des auf das Turbinenrad 4 treffenden
Abgases erhöht
werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es erstmals möglich, sowohl
einen Strömungsquerschnitt
der Düse 8 als
auch einen Strömungsquerschnitt
des Einlasskanals 6 zu steuern und damit die Ladeleistung
der Ladeeinrichtung 1 besonders gut an die jeweils auftretenden
Lastfälle
anzupassen.