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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines
Dralls in einer Axialströmung, insbesondere zur Beaufschlagung
eines Verdichterrads, vorzugsweise eines Abgasturboladers für
eine Brennkraftmaschine, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen mit
einer derartigen Drallerzeugungseinrichtung ausgestatteten Abgasturbolader.
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Aus
der
DE 10 2005
019 896 A1 ist eine derartige Drallerzeugungseinrichtung
bekannt, die mit Leitschaufeln ausgestattet ist, die in einem Strömungskanal
angeordnet sind und sich bezüglich einer Längsmittelachse
des Strömungskanals radial erstrecken. Sofern die Drallerzeugungseinrichtung
in einen Abgasturbolader eingebaut ist, befinden sich die Leitschaufeln
unmittelbar stromauf eines Verdichterrads des Turboladers. Bei der
bekannten Drallerzeugungseinrichtung sind die Leitschaufeln elastisch ausgestaltet
und weisen einen festen und einen verstellbaren bzw. verformbaren
Bereich auf. Die festen Bereiche sind mit einem Trägerabschnitt
verbunden, während die verstellbaren bzw. verformbaren
Bereiche mit einem Stellabschnitt verbunden sind. Durch Verdrehen
des Stellabschnitts um die Längsmittelachse des Strömungskanals
kann die drallerzeugende Wirkung der Leitschaufeln aktiv verändert
werden.
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Bei
kleinen Drehzahlen des Abgasturboladers kann durch die Induzierung
eines Mitdralls stromauf des Verdichters eine Druckabsenkung erzeugt
werden, wodurch sich ein Betriebspunkt des Verdichters zu höheren
Verdichterdruckverhältnissen und zu höheren reduzierten
Massenströmen verschieben lässt. Daneben kann
mit dem Vordrall eine strömungstechnisch günstige
Anströmung der Verdichterschaufeln erreicht werden. In
der Folge nimmt der Abstand des Betriebspunkts von einer Pumpgrenze
des Verdichters zu, so dass der Verdichter und somit der Abgasturbolader
insgesamt stabiler und mit erhöhtem Wirkungsgrad betrieben
werden kann. Bei hohen Drehzahlen ist eine Drallbeaufschlagung der
Frischgasströmung vor dem Eintritt in den Verdichter jedoch
nicht erwünscht. Hier ist der Strömungswiderstand
der Leitbeschaufelung vergleichsweise groß, womit zum einen
der Massendurchsatz reduziert wird und zum anderen das Verdichterdruckverhältnis
steigt. Durch Leitschaufeln, die hinsichtlich ihrer drallerzeugenden
Wirkung verstellbar sind, kann das Betriebsverhalten des Abgasturboladers aber
insgesamt verbessert werden.
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Eine
andere Drallerzeugungseinrichtung mit passiv verstellbaren Leitschaufeln
ist aus der
EP 1 433
958 A2 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Drallerzeugungseinrichtung der eingangs genannten
Art bzw. für einen damit ausgestatteten Abgasturbolader
eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch
auszeichnet, dass der Wirkungsgrad des Turboladers, vorzugsweise
bei höheren Drehzahlen, verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Leitschaufeln
so auszugestalten bzw. anzuordnen, dass ihre Schaufellänge
variierbar ist. Die Schaufellänge ist dabei quer bzw. radial
zur Längsmittelachse des Strömungskanals orientiert. Durch
Verändern der sich im Strömungskanal befindlichen
Schaufellänge kann der von den Leitschaufeln erzeugte Strömungswiderstand
signifikant beeinflusst werden. Mit abnehmender Schaufellänge
im Strömungskanal nimmt der Strömungswiderstand ab.
Wenn also für höhere Drehzahlen des Abgasturboladers
der von der Drallerzeugungseinrichtung erzeugte Strömungswiderstand
reduziert werden soll, werden die Leitschaufeln hinsichtlich ihrer
sich im Strömungskanal erstreckenden Schaufellänge
verkürzt. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Drallerzeugungseinrichtung
kann somit für höhere Drehzahlen des Abgasturboladers
ein reduzierter Strömungswiderstand realisiert werden,
was den Wirkungsgrad des Turboladers erhöht.
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Zweckmäßig
erstrecken sich die Leitschaufeln im aktivierten Zustand von einer
den Strömungskanal quer zur Strömungskanallängsmittelachse
begrenzenden Kanalwand, insbesondere radial, nach innen. Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform kann die Drallerzeugungseinrichtung
so ausgestaltet sein, dass die Leitschaufeln zum Verstellen der
im Strömungskanal angeordneten Schaufellänge bezüglich
der Kanalwand parallel zu ihrer Schaufellänge einfahrbar
und ausfahrbar ausgestaltet bzw. angeordnet sind. Mit anderen Worten,
die Länge der Leitschaufeln ist an sich invariant; es wird lediglich
die Länge des sich im Strömungskanal erstreckenden
Abschnitts der Leitschaufel, also die aktive Schaufellänge
verändert. Die Leitschaufeln können dadurch einen
besonders einfachen Aufbau aufweisen. Die Längenverstellbarkeit
der Leitschaufeln innerhalb des Strömungskanals ist dadurch
vergleichsweise einfach realisierbar.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die
Drallerzeugungseinrichtung so ausgestaltet sein, dass die Leitschaufeln
zum Einstellen eines deaktivierten Zustands vollständig aus
dem Strömungskanal ausgefahren bzw. in die Kanalwand eingefahren
werden können. Hierdurch kann der Strömungswiderstand
der Leitschaufeln für den deaktivierten Zustand quasi auf
den Wert Null reduziert werden. Für höhere Drehzahlen
des Abgasturboladers lässt sich somit ein Zustand einstellen, der
sich sonst nur bei nicht vorhandener Drallerzeugungseinrichtung
ergibt.
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Optional
kann außerdem vorgesehen sein, dass die Leitschaufeln hinsichtlich
ihrer drallerzeugenden Wirkung verstellbar angeordnet und/oder ausgestaltet
sind. Beispielsweise kann ein Anstellwinkel der Leitschaufeln variiert
werden. Hierdurch kann für niedrigere Drehzahlen der Drallstrom
auf den Verdichter variiert werden. Die Voreile einer derartigen
aktiv verstellbaren Leitschaufelgeometrie sind allgemein bekannt.
Insbesondere lässt sich dadurch der Abstand zur Pumpgrenze
auch in einem unteren Drehzahlbereich vergrößern.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können
die Leitschaufeln entlang ihrer Schaufellänge schraubenförmig
verwunden sein. Dementsprechend besitzen sie entlang ihrer Schaufellänge
einen sich verändernden Anstellwinkel gegenüber
der ankommenden Frischluftströmung. Eine derartige Geometrie
kann insbesondere zur gezielten Modellierung einer Drallströmung
genutzt werden.
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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 Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein
stark vereinfachter, prinzipieller Längsschnitt durch einen
Abgasturbolader im Bereich einer Drallerzeugungseinrichtung,
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2 und 3 jeweils
eine stark vereinfachte perspektivische Ansicht auf eine Leitschaufel bei
unterschiedlichen Zuständen,
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4 eine
axiale Draufsicht auf eine Antriebsscheibe der Drallerzeugungseinrichtung.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Abgasturbolader 1, der bei einer Brennkraftmaschine,
die insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein kann, zur
Erhöhung des Druckniveaus an der Frischluftseite genutzt
werden kann und der hier nur teilweise dargestellt ist, einen Verdichter 2 mit
einem Verdichterrad 3. Ferner ist der Turbolader 1 mit
einer Drallerzeugungseinrichtung 4 ausgestattet, mit deren Hilfe
in einem Strömungskanal 5 eine Drallströmung generiert
werden kann. Der Strömungskanal 5 ist dabei unmittelbar
stromauf des Verdichters 2 an den Abgasturbolader 1 angeschlossen
bzw. in den Abgasturbolader 1 integriert. Insbesondere
kann der Strömungskanal 5 durch einen Bestandteil
eines Gehäuses 6 des Turboladers 1 gebildet
sein. Der Strömungskanal 5 ist koaxial zu einer
Rotationsachse 7 des Verdichterrads 3 ausgerichtet.
Er erstreckt sich geradlinig. Eine Längsmittelachse 8 des Strömungskanals 5 fällt
im Beispiel mit der Rotationsachse 7 des Verdichterrads 3 zusammen.
Der Strömungskanal 5 führt im Betrieb
des Turboladers 1 eine durch einen Pfeil angedeutete Axialströmung 9,
die parallel zur Längsmittelachse 8 des Strömungskanals 5 orientiert
ist, zum Verdichter 2 bzw. zum Verdichterrad 3.
Die Drallerzeugungseinrichtung 4 ist dazu vorgesehen, in
dieser Axialströmung 9 einen Drall, also eine
um die Längsmittelachse 8 rotierende Drehströmung
zu erzeugen. Hierzu weist die Drallerzeugungseinrichtung 4 zumindest
eine, vorzugsweise jedoch mehrere Leitschaufeln 10 auf.
Diese erstrecken sich in einem aktivierten Zustand im Strömungskanal 5,
also in einem Inneren 11 des Strömungskanals 5 quer
zur Längsmittelachse 8. Sofern der Kanal 5 bzw. eine
den Strömungskanal 5 begrenzende Kanalwand 12 zylindrisch,
insbesondere kreiszylindrisch ausgestaltet ist, erstrecken sich
die Leitschaufeln 10 bezüglich der Längsmittelachse 8 bevorzugt
radial. Bei der hier gezeigten Drallerzeugungseinrichtung 4 sind
die Leitschaufeln 10 hinsichtlich ihrer aktiven Schaufellänge 13,
die sich im Strömungskanal 5, also im Inneren 11 des
Strömungskanals 5 erstreckt, verstellbar ausgestaltet
bzw. angeordnet. Die Schaufellänge 13 erstreckt
sich dabei quer und insbesondere radial zur Längsmittelachse 8 des
Strömungskanals 5. Im Zustand der 1 befindet
sich nur ein vergleichsweise kleiner Teil einer Gesamtlänge 14 der
gezeigten Leitschaufel 10 innerhalb des Strömungskanals 5,
um dort die aktive Schaufellänge 13 zu bilden.
Während die Gesamtschaufellänge 14 an
sich invariant ist, kann die aktive Schaufellänge 13 verstellt
bzw. verändert werden.
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Die
jeweilige Leitschaufel 10 erstreckt sich von der Kanalwand 12 nach
innen, quer zur Längsmittelachse 8. Um die aktive
Schaufellänge 13 verändern bzw. verstellen
zu können, sind die Leitschaufeln 10 bezüglich
der Kanalwand 12 einfahrbar und ausfahrbar ausgestaltet
bzw. angeordnet. Eine entsprechende Verstellbewegung der gezeigten
Leitschaufel 10 relativ zur Kanalwand 12 ist in 1 durch
einen Doppelpfeil 15 angedeutet. Dementsprechend durchdringt
die jeweilige Leitschaufel 10 die Kanalwand 12 in
einer entsprechenden Wandöffnung 16. Zweckmäßig
ist ein nicht näher bezeichnetes Innenprofil der Wandöffnung 16 komplementär
zu einem nicht näher bezeichneten Außenprofil
der zugehörigen Leitschaufel 10 geformt.
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Entsprechend
den 1 bis 3 kann somit durch Herausfahren
der jeweiligen Leitschaufel 10 in den Strömungskanal 5 hinein
die aktive Schaufellänge 13 vergrößert
werden, während durch Herausfahren der jeweiligen Leitschaufel 10 aus
dem Strömungskanal 5 heraus die aktive Schaufellänge 13 reduziert
werden kann. Insbesondere kann die jeweilige Leitschaufel 10 soweit
in die Kanalwand 12 eingefahren werden, bis ihr dem Inneren 11 des
Strömungskanals 5 zugewandtes freies Ende 17 im
Wesentlichen bündig mit der Kanalwand 12 abschließt. Die
Leitschaufel 10 ist dann vollständig in die Kanalwand 12 eingefahren,
insbesondere darin versenkt. Hierdurch lässt sich insbesondere
ein deaktivierter Zustand für die Leitschaufel 10 einstellen,
da ihre aktive Schaufellänge 13 auf den Wert Null
reduziert ist.
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Die
Drallerzeugungseinrichtung 4 ist zweckmäßig
außerdem so ausgestaltet, dass die jeweilige Leitschaufel 10 hinsichtlich
ihrer drallerzeugenden Wirkung verändert werden kann. Insbesondere
kann die relative Drehlage der jeweiligen Leitschaufel 10 bezüglich
einer Längsmittelachse 18 der jeweiligen Leitschaufel 10 verändert
werden. Bei den gezeigten Ausführungsformen wird diese
Variation oder Verstellung der drallerzeugenden Wirkung bei der
jeweiligen Leitschaufel 10 dadurch erreicht, dass die Leitschaufeln 10 entlang
ihrer gesamten Schaufellänge 14 bzw. entlang ihrer
Längsmittelachse 18 schraubenförmig verwunden
sind. Diese Verwindung der jeweiligen Leitschaufel 10 hat
zur Folge, dass die Einfahrbewegung und die Ausfahrbewegung der
Leitschaufel 10 zwangsläufig mit einer Drehbewegung
der Leitschaufel 10 um ihre Längsmittelachse 18 gekoppelt ist.
Eine derartige Drehbewegung ist in den Figuren durch einen Doppelpfeil 19 angedeutet.
Durch die schraubenförmige Verwindung der Leitschaufeln 10 besitzen
sie im aktivierten Zustand entlang ihrer aktiven Schaufellänge 13 einen
variierenden Anstellwinkel gegenüber der ankommenden Axialströmung 9. Die
Orientierung der Wandöffnung 16 definiert dabei den
im Bereich der Wand 12 herrschenden Anstellwinkel, der
mit zunehmendem Abstand von der Wand 12 zunehmen oder abnehmen
kann. Im Beispiel der 2 nimmt der Anstellwinkel von
außen, also von der Kanalwand 12 nach innen, bis
zum freien Ende 17 zu. Im gezeigten Beispiel besitzt die
Leitschaufel 10 im Bereich des freien Endes 17 einen
Anstellwinkel von etwa 90°, der den maximalen Strömungswiderstand
bildet. Hierdurch wird die Axialströmung 9 nach
radial außen verdrängt, was die Ausbildung einer
zylindrischen Drallströmung begünstigt. Im Beispiel
ist die Wandöffnung 16 hinsichtlich ihrer Profillängsrichtung
parallel zur Axialströmung 9 orientiert, so dass
der Anstellwinkel der Leitschaufel 10 nahe der Wand 12 im
Wesentlichen den Wert Null aufweist. Es ist klar, dass hier auch
andere Ausführungsformen denkbar sind, bei welcher im Bereich
der Kanalwand 12 ein positiver oder negativer Anstellwinkel vorliegen
kann.
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Zum
gleichzeitigen Verstellen mehrerer Laufschaufeln 10, insbesondere
aller Laufschaufeln 10, kann die Drallerzeugungseinrichtung 4 gemäß 1 eine
gemeinsame Leitschaufelverstelleinrichtung 20 aufweisen.
Diese umfasst bei dem hier gezeigten einfachen Beispiel für
jede Leitschaufel 10 eine Betätigungsstange 21.
Die jeweilige Betätigungsstange 21 ist mit der
zugehörigen Leitschaufel 10 zur Übertragung
von Zugkräften und Druckkräften verbunden. Desweiteren
ist die jeweilige Betätigungsstange 21 an der
zugehörigen Leitschaufel 10 und/oder an einer Lagerkonsole 22 drehbar
gelagert, und zwar um die Längsmittelachse 18 der
jeweiligen Leitschaufel 10. Die Lagerkonsole 22 kann
bspw. in einem hier nicht gezeigten Gehäuse der Drallerzeugungseinrichtung 4 ausgebildet
sein. Die jeweilige Betätigungsstange 21 ist bspw. über
einen Mitnehmer 23 mit einer Antriebsscheibe 24 antriebsgekoppelt.
Die Antriebsscheibe 24 erstreckt sich koaxial zur Längsmittelachse 8 des
Strömungskanals 5 und liegt somit in einer Ebene,
die sich quer zur Längsmittelachse 8 erstreckt.
Die Antriebsscheibe 24 ist bezüglich der Längsmittelachse 8 drehbar
gelagert bzw. drehverstellbar angeordnet. Sie ist einerseits über
die Mitnehmer 23 und die Betätigungsstangen 21 mit
den Leitschaufeln 10 antriebsverbunden und andererseits
mit einem hier nicht gezeigten, gemeinsamen Stellantrieb antriebsgekoppelt.
Der Stellantrieb kann eine Drehbewegung in die Antriebsscheibe 24 einleiten,
durch welche die Antriebsscheibe 24 um die Längsmittelachse 8 dreht.
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Entsprechend 4 weist
die Antriebsscheibe 24 für jede Leitschaufel 10 eine
Führungskulisse 25 auf. Die Führungskulissen 25 sind
dabei bezüglich der Längsmittelachse 8 in
Umfangsrichtung, insbesondere gleichmäßig, verteilt
angeordnet. Die Führungskulissen 25 können
durch Nuten oder durch Öffnungen gebildet sein. In die
jeweilige Führungskulisse 25 greift der jeweilige
Mitnehmer 23 ein. Die Führungskulissen 25 sind
so geformt, dass eine Drehbewegung der Antriebsscheibe 24 um
die Längsmittelachse 8 die Mitnehmer 23 zu
einer Radialverstellung bezüglich der Längsmittelachse 8 antreibt.
Erreicht wird dies einerseits durch eine radial orientierte Zwangsführung
für die bidirektionale Verstellbarkeit der Betätigungsstangen 21 bzw.
der Leitschaufeln 10. Andererseits wird dies durch die
Neigung der Führungskulissen 25 gegenüber
der Radialrichtung bewirkt. Durch Verdrehen der Antriebsscheibe 24 bewegen
sich die Mitnehmer 23 innerhalb der Führungskulissen
und somit bezüglich der Antriebsscheibe 24 und
bezüglich der Längsmittelachse 8 radial
nach innen bzw. nach außen. In der Folge bewegt sich auch
die mit dem jeweiligen Mitnehmer 23 antriebsgekoppelte
Betätigungsstange 21 in radialer Richtung. Die
damit antriebsgekoppelte Laufschaufel 10 bewegt sich dann
ebenfalls in radialer Richtung und fährt dementsprechend
in den Strömungskanal 5 ein bzw. aus dem Strömungskanal 5 aus.
Sofern die Betätigungsstange 21 drehfest mit der
jeweiligen Leitschaufel 10 verbunden ist, kann zwischen
der Betätigungsstange 21 und der dem Mitnehmer 23 eine axial
feste, jedoch um die Längsmittelachse 18 der jeweiligen
Leitschaufel 10 verdrehbare Verbindung vorgesehen sein.
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Im
gezeigten, bevorzugten Beispiel besitzt die jeweilige Leitschaufel 10 ein
Leitschaufelprofil quer zu ihrer Längsmittelachse 18.
Dieses Profil ist entlang der Längsmittelachse 18 der
Leitschaufel 10 konstant, auch wenn die Leitschaufel 10 in
sich verwunden ist. Gezeigt ist ein Rechteckprofil. Es ist klar, dass
hier auch ein aerodynamisch optimiertes Profil, insbesondere ein
Tropfenprofil oder Tragflügelprofil oder dergleichen zur
Anwendung kommen kann. Die maximal einstellbare aktive Schaufellänge 13 ist
bei allen Leitschaufeln 10 zweckmäßig
so bemessen, dass sich die Leitschaufeln 10 an ihren freien
Enden 17 gegenseitig nicht berühren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005019896
A1 [0002]
- - EP 1433958 A2 [0004]