DE102009006811A1

DE102009006811A1 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102009006811A1
Application number: DE102009006811A
Authority: DE
Inventors: Martin Rauscher; Jochen Laubender; Thomas Steidten
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung (1), insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer variablen Turbinengeometrie (4) und einer Stelleinrichtung (6) zur Verstellung der variablen Turbinengeometrie (4). Erfindungswesentlich ist dabei, dass eine verdichterseitige Vorleitapparatur (5) vorgesehen ist, wobei die Stelleinrichtung (6) sowohl die variable Turbinengeometrie (4) als auch die verdichterseitige Vorleitapparatur (5) verstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung, insbesondere einen Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer variablen Turbinengeometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US 6,679,057 B2 ist eine gattungsgemäße Ladeeinrichtung bekannt, mit einer variablen Turbinengeometrie und einer verdichterseitig angeordneten Nachleitapparatur, welche einen vom Verdichterrad erzeugten Gasstrom reguliert. Sowohl die verdichterseitige Nachleitapparatur als auch die turbinenseitig angeordnete variable Turbinengeometrie sind dabei über eine gemeinsame Stelleinrichtung gesteuert.
Aus der US 6,994,518 B2 ist eine verdichterseitige Vorleitapparatur bekannt, welche über eine servomotorische Stelleinrichtung verstellbar ist. Die Vorleitapparatur ist dabei axial benachbart zum Verdichterrad angeordnet.
Schließlich ist aus der US 4,292,807 eine weitere Ladeeinrichtung bekannt, bei welcher eine turbinenseitige Vorleitapparatur mit einer verdichterseitigen Nachleitapparatur wirkungsgekoppelt ist.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ladeeinrichtung der gattungsgemäßen Art, eine verbesserte oder eine alternative Ausführungsform anzugeben, mit welcher insbesondere eine kostengünstige Leistungssteigerung der Ladeeinrichtung erzielt werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Ladeeinrichtung sowohl turbinenseitig eine variable Turbinengeometrie als auch verdichterseitig eine Vorleitapparatur, bspw. in der Art einer variablen Verdichtergeometrie, vorzusehen und beide über eine gemeinsame Stelleinrichtung anzusteuern. Hierdurch können nicht nur der Wirkungsgrad und damit die Leistung der erfindungsgemäßen Ladeeinrichtung gesteigert werden, sondern zugleich kann diese Leistungssteigerung auch vergleichsweise kostengünstig erzielt werden, da zum Verstellen sowohl der variablen Turbinengeometrie als auch der verdichterseitigen Vorleitapparatur lediglich eine einzige Stelleinrichtung erforderlich ist. Bspw. kann durch eine Druckabsenkung bzw. eine Induzierung eines Mitdralls vor dem Verdichterrad eine Verschiebung eines Betriebspunktes zu höheren Verdichterdruckverhältnissen und dadurch weg von einer so genannten Pumpgrenze erreicht werden. Insbesondere im stationären Betrieb sind dadurch eine Erhöhung des Ladedrucks bei vergleichsweise geringen Drehzahlen und damit eine Steigerung des maximalen Drehmoments möglich. Durch die Verschiebung des Verdichterbetriebspunktes wird auch der Betriebspunkt der Turbine hin zu einem besseren Wirkungsgrad verschoben, woraus eine Absenkung eines Abgasgegendrucks und damit verbunden eine Steigerung des Gesamtsystemwirkungsgrades resultiert. Die Verschiebung zu einerseits höheren Druckverhältnissen und andererseits reduzierten Massenströmen geht dabei einher mit einer Erhöhung der Drehzahl der Ladeeinrichtung, wodurch sich ein Beschleunigungsvorgang der Ladeeinrichtung verkürzt, was insbesondere zur Vermeidung des so genannten „Turbolochs” von Vorteil ist. Darüber hinaus lässt sich ein Lastannahmeverhalten des Verbrennungsmotors insbesondere im transienten Betrieb deutlich verbessern.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist eine Übertragung der Stellbewegung von der variablen Turbinengeometrie auf die verdichterseitige Vorleitapparatur übersetzt, wobei aber einer Stellung der variablen Turbinengeometrie, bei welcher ein maximales Drehmoment erreicht ist, ein vergleichsweise schnelles Öffnen der verdichterseitigen Vorleitapparatur erfolgt. Hierdurch kann ein besonders kurzfristiges Ansprechen der Ladeeinrichtung auf sich ändernde Betriebszustände erreicht werden und insbesondere die Pumpneigung der Ladeeinrichtung verringert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1 eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung,
2a–c unterschiedliche Ausführungsformen einer Verstellmechanik.
Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 eine Verdichterseite 2 sowie eine Turbinenseite 3 auf. Auf der Turbinenseite 3 ist dabei eine variable Turbinengeometrie 4 vorgesehen, welche nicht gezeigte drehbar gelagerte Leitschaufeln aufweisen kann. Auf der Verdichterseite 2 ist eine verdichterseitige Vorleitapparatur 5 vorgesehen, welche bspw. ebenfalls drehbar gelagerte Leitschaufeln aufweisen kann. Die variable Turbinengeometrie 4 dient dabei zur Beeinflussung eines auf ein nicht gezeigtes Turbinenrad treffenden Gasstromes, während die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 zur Beeinflussung eines auf ein Verdichterrad treffenden Gasstroms dient. Erfindungsgemäß ist nun eine Stelleinrichtung 6 vorgesehen, die sowohl die variable Turbinengeometrie 4 als auch die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 verstellt. Die Stelleinrichtung 6 kann dabei bspw. als Servomotor oder als Druckdose ausgebildet sein.
Gemäß der 1 ist die Stelleinrichtung 6 mit einer Antriebsmechanik 7 gekoppelt, die über ein Rad 8 und über zwei Verbindungselemente 9 und 9' eine Stellbewegung sowohl an die variable Turbinengeometrie 4 als auch an die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 überträgt. Generell ist dabei denkbar, dass die variable Turbinengeometrie 4 und die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 nicht nur wie im gezeigten Falle über zwei Verbindungselemente 9, 9', sondern prinzipiell auch über lediglich ein einziges Verbindungselement miteinander gekoppelt werden können. Als Verbindungselement 9, 9' kann bspw. eine Stange bzw. ein Gestänge oder ein federbeaufschlagter Seilzug dienen.
Um eine bzgl. des Wirkungsgrades optimierte Stellbewegung von der Stelleinrichtung 6 sowohl an die variable Turbinengeometrie 4 als auch an die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 übertragen zu können, ist die Übertragung der Stellbewegung von der variablen Turbinengeometrie 4 auch die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 übersetzt. Dies bedeutet, dass die gemäß der 1 von der Stelleinrichtung 6 auf die Antriebsmechanik 7 übertragene Verstellbewegung in einem unterschiedlichen Verhältnis an die variable Turbinengeometrie 4 bzw. an die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 übertragen wird. Denkbar ist hierbei insbesondere, dass die Übersetzung zwischen der variablen Turbinengeometrie 4 und der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 derart ausgebildet ist, dass ab einer Stellung der variablen Turbinengeometrie 4, bei welcher ein maximales Drehmoment erreicht ist, ein vergleichsweise schnelles Öffnen der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 erfolgt. Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass der Verdichter aufgrund des sich nunmehr ändernden Eintrittszustandes nicht ins Pumpgebiet gerät. Wie oben angesprochen, kann das Verbindungselement 9, 9' bspw. als Seilzug oder als Gestänge ausgebildet sein, wobei insbesondere die Ausbildung als Seilzug eine höhere Flexibilität bzgl. eines Bauraums betrifft, andererseits jedoch aber auch einen größeren konstruktiven Aufwand zur Führung des Seilzuges, bspw. über Umlenkrollen oder ähnliches, erfordert.
Generell ist es dabei auch denkbar, dass von der Stelleinrichtung 6 eine verdichterseitige Nachleitapparatur betätigt wird, was bspw. in der Art eines Diffusors mit drehbaren Leitschaufeln ausgeführt werden kann. Eine Vorleitapparatur ist hingegen vor allem bei geringen Motordrehzahlen nahe einer Voll-Last oder bei geringen Motordrehzahlen kurz vor einem Lastsprung aus einer Teillast heraus sinnvoll, da in diesen Motorbetriebspunkten die variable Turbinengeometrie 4 geschlossen oder nur wenig geöffnet ist. Bei hohen Motordrehzahlen hingegen, bei welchen eine vorleiterseitige Vorleitapparatur 5 nur noch wenig Vorteile bietet, ist die variable Turbinengeometrie nahezu vollständig geöffnet. Generell soll hierbei beim Schließen der variablen Turbinengeometrie 4 gleichzeitig die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 geschlossen sowie beim Öffnen der variablen Turbinengeometrie 4 die verdichterseitige Vorleitapparatur 5 geöffnet werden.
Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung 1 kann durch eine Druckabsenkung bzw. eine Induzierung eines Mitdralls vor dem eigentlichen Verdichterrad ein Betriebspunkt hin zu höheren Verdichterdruckverhältnissen und zu reduzierten Massenströmen und damit weg von einer Pumpgrenze verschoben werden. Darüber hinaus sind im stationären Betrieb eine Erhöhung des Ladedrucks bei kleinen Drehzahlen und damit eine Steigerung des maximalen Drehmoments möglich. Durch die Verschiebung des Verdichterbetriebspunktes wird gleichzeitig auch ein Betriebspunkt der Turbine hin zu besseren Wirkungsgraden verschoben. Von besonderem Vorteil ist, sofern die beiden Verbindungselemente 9, 9' derart mit der Stelleinrichtung 6 gekoppelt sind, dass sich die Verstellkräfte zumindest zum Teil kompensieren, sodass in der Folge hiervon, die Stelleinrichtung 6 insgesamt kleiner und dadurch bauraumoptimierter bzw. kostengünstiger ausgelegt werden kann.
Gemäß den 2a–2c sind unterschiedliche Betriebszustände gezeigt, wobei die 2a eine vollständig geöffnete variable Turbinengeometrie 4 und damit eine vollständig geöffnete verdichterseitige Vorleitapparatur 5 darstellt. Die 2b zeigt die Stellung der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 bei maximalem Drehmoment, wohingegen die 2c die Stellung der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 bei kleinster Motordrehzahl zeigt. Über die Form einer Nut 10, in welcher bspw. das Verbindungselement 9' geführt ist, kann die Übersetzung zwischen der variablen Turbinengeometrie 4 und der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 beeinflusst werden. Gemäß den 2a–2c ist darüber hinaus noch eine Federeinrichtung 11 dargestellt, mit welcher eine Rückstellung der verdichterseitigen Vorleitapparatur 5 bewirkt werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6679057 B2 [0002]
- US 6994518 B2 [0003]
- US 4292807 [0004]

Claims

Ladeeinrichtung (1), insbesondere ein Abgasturbolader für ein Kraftfahrzeug, mit einer variablen Turbinengeometrie (4) und einer Stelleinrichtung (6) zur Verstellung der variablen Turbinengeometrie (4), dadurch gekennzeichnet, dass eine verdichterseitige Vorleitapparatur (5) vorgesehen ist, wobei die Stelleinrichtung (6) sowohl die variable Turbinengeometrie (4) als auch die verdichterseitige Vorleitapparatur (5) verstellt.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die verdichterseitige Vorleitapparatur (5) als variable Verdichtergeometrie mit drehbar gelagerten Leitschaufeln ausgebildet ist, und/oder – dass die variable Turbinengeometrie (4) drehbar gelagerte Leitschaufeln aufweist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Turbinengeometrie (4) und die verdichterseitige Vorleitapparatur über zumindest ein Verbindungselement (9, 9') miteinander gekoppelt sind.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (9, 9') als federbeaufschlagter Seilzug oder als Gestänge ausgebildet ist.
Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übertragung der Stellbewegung von der variablen Turbinengeometrie (4) auf die verdichterseitige Vorleitapparatur (5) übersetzt ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung der Stellbewegung zwischen der variablen Turbinengeometrie (4) und der verdichterseitige Vorleitapparatur (5) so ausgebildet ist, dass ab einer Stellung der variablen Turbinengeometrie (4), bei welcher ein maximales Drehmoment erreicht ist, ein schnelles Öffnen der verdichterseitige Vorleitapparatur (5) erfolgt.