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Die
Erfindung betrifft ein Verdichterrad für einen Verdichter eines Abgasturboladers
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie einen Verdichter
für einen
Abgasturbolader nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 4. Die Erfindung
betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 22.
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Derartige
Verdichter sind allgemein bekannt. Eine Entwicklung moderner aufgeladener
Verbrennungskraftmaschinen mit gewünschten Momentenverhalten sowohl
bei Personenkraftwagen als auch bei Nutzkraftwagen erfordert zunehmend
verbreiterte Verdichterkennfeldbereiche. Bei einem vorgegebenen
Nennpunkt mit einem Nenndurchsatz eines Verdichters bei derartig
aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen wird auch eine Pumpgrenzlage
des Verdichters maßgebend
mitbestimmt. Eine Momentenlinie mit maximal ermöglichbaren Werten einer derartig
aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine wird somit bis zu mittleren
Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine durch eine Pumpgrenze des Verdichters
festgelegt. In einem entsprechendem Kennfeld links dieser Pumpgrenze,
also bei kleineren Durchsätzen
des Verdichters, ist ein stabiler Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
aufgrund von Pumpgrößen nicht
durchführbar,
da ein Abgasturbolader mit einem derartigen Verdichter hier oft
nach geringen Laufzeiten durch Schadensfälle zerstört wird.
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Durch
Entwicklungen von kennfeldstabilisierenden Maßnahmen wird auf die Pumpgrenze
hinsichtlich einer Verschiebung zu kleinen Durchsätzen hin
eingewirkt, wodurch ein Anfahrmoment und ein Beschleunigungsmoment
beziehungsweise ein maximales Moment der Verbrennungskraftmaschine deutlich
steigerbar ist.
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Es
zeigt sich jedoch zunehmend, dass diese kennfeldstabilisierenden
Maßnahmen
zur Verbreiterung der Verdichterkennfeldbereiche zukünftige Anforderungen
an Aufladesysteme zur Aufladung von Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren, nicht mehr erfüllen können.
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Des
Weiteren ist bei zweistufigen Aufladesystemen vieler Anwendungen
eines Fahrzeugantriebs ein Hochdruckverdichter luftdurchsatzbestimmend,
wodurch dort komplexe Bypass-Vorrichtungen des Hochdruckverdichters
zu realisieren sind, die in Umschaltphasen zu unakzeptablen mechanischen und
strömungsseitigen
unstetigen Verläufen
wichtiger motorischer Parameter führen. Eine Funktionalität wie auch
ein Fahrverhalten ist somit bei diesen zweistufigen Aufladesystemen
mit massiven Störgrößen versehen,
welche in vielen Fällen
zu einer geringen Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine beitragen
und einen großen
Aufwand an Kulanzkosten nach sich ziehen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verdichterrad,
einen Verdichter sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters
derart weiter zu entwickeln, dass ein verbreitertes Verdichterkennfeld
erreicht ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verdichterrad mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 sowie durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs
4 gelöst.
Zur Erfindung gehört
auch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Zur
Erzielung einer großen
Einwirkung auf eine Vergrößerung einer
Durchsatzspreizung eines Verdichterkennfelds ist es unter anderem
von großer Bedeutung,
einen durchsatzbestimmenden Verdichterradeintritt eines Verdichterrads
für einen
Verdichter eines Abgasturboladers zu beeinflussen.
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Hierzu
ist ein erfindungsgemäßes Verdichterrad
für einen
Verdichter eines Abgasturboladers mit einer Mehrzahl von Schaufelelementen
mit einer jeweiligen Außenkontur,
welche zumindest einen Längenbereich
aufweist, dessen mittlere Tangente in Verdichterlängsrichtung
mit einer Drehachse des Verdichterrads einen Winkel einschließt, vorgesehen,
welches sich dadurch auszeichnet, dass die mittlere Tangente mit
der Drehachse einen Winkel in einem Bereich von 15° bis 90° einschließt. Damit
ist eine sehr einfache und damit Kosten unaufwändige technische Lösung geschaffen,
bei der eine Radaußenkontur
des Verdichterrads, welche mittels der Schaufelelemente gebildet
wird, da idealer Weise alle Schaufelelemente die gleiche Außenkontur aufweisen,
insbesondere in einem Eintrittsbereich des Verdichterrads eine konische
beziehungsweise nahezu konische Form aufweist. Durch diese Ausgestaltungsform
ist eine deutliche Verbreiterung eines Verdichterkennfelds des Verdichters
mit einem erfindungsgemäßen Verdichterrad
geschaffen, womit die eingangs beschriebenen Probleme gelöst sind
und ein höherer
Wirkungsgrad des Verdichters und damit des gesamten Abgasturboladers
erreicht ist. Das bedeutet also, dass prinzipiell auch ein fast
reines Radialverdichterrad in seiner Kennfeldbreite und damit das
Verdichterkennfeld des Verdichters selbst erweiterbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung schließt
die mittlere Tangente mit der Drehachse einen Winkel in einem Bereich
von 25° bis
50° ein.
In diesem Winkelbereich zeigt sich eine besonders deutliche und
damit vorteilhafte Verbreiterung des Verdichterkennfelds, wodurch
ein besonders effizienter Betrieb einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
in einem besonders großen
Betriebspunktspektrum ermöglicht
ist, was mit einer Reduzierung eines Kraftstoffverbrauchs und damit
mit einer Reduzierung von CO2-Emissionen
der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.
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Bei
einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Längenbereich
in Strömungsrichtung über die
ersten 10% bis 30% der gesamten Längserstreckungsrichtung des
Verdichterrads ausgebildet ist. Dies birgt den Vorteil, dass dadurch
eine weitere Verbreiterung des Verdichterkennfelds und damit eine
Möglichkeit
geschaffen ist, die Verbrennungskraftmaschine in einem noch breiteren
Spektrum an Betriebspunkten effizient und damit verbrauchsoptimal
zu betreiben, was sich auch auf die CO2-Emissionen
positiv auswirkt.
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In
der Praxis ist anzustreben, den Verdichterradeintritt, welcher auch
als Schaufeleintrittskanal zu bezeichnen ist, da das Verdichterrad,
wie beschrieben, eine Mehrzahl an Schaufelelementen aufweist, relativ
klein gegenüber
einem engsten Querschnitt eines stromab des Verdichterrads angeordneten
Diffusors bezüglich
effektiver Strömungsflächen auszulegen,
wodurch auch sehr kleine Massendurchsätze durch den Verdichter mit
hohen Druckverhältnissen ohne
Pumpgefahr beherrschbar sind. Verschiebt sich ein Betriebspunkt
der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine zu hohen Verdichterdurchsätzen, ist
weiter anzustreben, den Verdichterradeintritt, also einen engsten
Strömungsquerschnitt
im Relativsystem, kontinuierlich zu öffnen.
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Dazu
ist ein erfindungsgemäßer Verdichter für einen
Abgasturbolader vorgesehen, welcher ein Verdichtergehäuse aufweist,
mittels welchem ein erfindungsgemäßes Verdichterrad aufgenommen
ist, wobei stromauf des Verdichterrad eine axial verschiebbare Verstellvorrichtung
vorgesehen ist, mittels derer Strömungsparameter an einem Verdichterradeintritt
beeinflussbar sind. Unter Zugrundelegung der erfindungsgemäßen, konusähnlichen
Außenkonturgestaltung
des Verdichterrads lassen sich damit Strömungsparameter am Verdichterradeintritt
beeinflussen, wodurch der Verdichter und damit ein korrespondierender
Abgasturbolader an ein sehr großes Spektrum
an Betriebspunkten einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
anpassbar ist. Dadurch ist ein besonders effizienter Betrieb des
Abgasturboladers ermöglicht,
wodurch vor dem Hintergrund eines Momentenbedarfs der Verbrennungskraftmaschine
ein optimaler Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bezüglich eines
Verhältnisses aus
Momentenbedarf beziehungsweise Leistung und Kraftstoffverbrauch
ermöglicht
ist. Dies ist ermöglicht durch
eine weitere Verbreiterung des Verdichterkennfelds in Folge der
Realisierung der Möglichkeit, Strömungsparameter
am Verdichterradeintritt mittels der Verstellvorrichtung optimal
auf einen jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine
anzupassen.
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Ist
die Verstellvorrichtung im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet, so ergibt
sich daraus der Vorteil, dass zum einen die Strömungsparameter am Verdichterradeintritt
beeinflussbar sind mit allen in diesem Zusammenhang beschriebenen
Vorteilen, andererseits ist dadurch eine Verstellvorrichtung geschaffen,
welche nur einen geringen Bauraum im Abgasturbolader beansprucht,
wodurch auch der Abgasturbolader selbst geringer in seinen Dimensionen ausbildbar
ist. Somit lassen sich gerade in einem bauraumkritischen Bereich
wie einem Motorraum, wo ein Abgasturbolader mit einem derartigen
Verdichter angeordnet ist, Package-Probleme lösen. Des Weiteren ermöglicht die
derartige Ausgestaltungsform der Verstellvorrichtung eine besonders
einfache und damit kostengünstige
Montage, wodurch Montagekosten und damit Gesamtkosten des Verdichters
gering gehalten werden können.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
die Verstellvorrichtung eine im Längsschnitt innenseitige Kante
auf, welche zumindest zwei einen Winkel einschließende Längenbereiche
beziehungsweise jeweilige Tangenten umfasst. Unter Zugrundelegung
der erfindungsgemäßen, konusähnlichen
Außenkonturgestaltung
des erfindungsgemäßen Verdichterrads
lässt sich
dadurch ein engster Radeintrittsquerschnitt im Bereich des Verdichterradeintritts
beeinflussen. Durch diese Ausführungsform
der Erfindung ist es also ermöglicht,
durch eine axiale Verschiebung der Verstellvorrichtung einen Durchmesser
am Verdichterradeintritt, über
welchen eine den Verdichter durchströmende Strömung in das Verdichterrad eintritt,
zu beeinflussen, das heißt
zu vergrößern oder
zu verkleinern. Bei der genannten Strömung kann es sich dabei um
Luft, Luft und Abgas oder um ein anderes Medium handeln. Somit ist
also eine einfache Varioeinrichtung in Form der Verstellvorrichtung
geschaffen, welche eine Beeinflussung des durchsatzbestimmenden
Verdichtereintritts erlaubt und damit eine deutliche Vergrößerung der
Durchsatzspreizung des Verdichterkennfelds ermöglicht, was darin resultiert,
dass der Abgasturbolader mit einem derartigen Verdichter in einem
besonders großen
Spektrum an Betriebspunkten der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
anpassbar ist, wodurch wiederum ein verbrauchsarmer und CO2-armer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
in besonders breiten Bereichen ihres Kennfelds ermöglicht ist,
bei gleichzeitiger Darstellung eines entsprechenden Momenten-beziehungsweise Leistungsbedarfs.
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Ist
zumindest ein Längenbereich
beziehungsweise eine jeweilige Tangente zumindest bereichsweise
parallel zu dem Längenbereich
der Radaußenkontur,
so ergibt sich daraus der Vorteil, dass sich also die innenseitige
kante der Verstellvorrichtung zumindest bereichsweise an die Außenkontur
des Verdichterrads anlegt, wodurch der Durchmesserbereich am Verdichterradeintritt
und damit also ein Eintrittsquerschnitt der Strömung besonders effizient beeinflussbar
ist, nämlich
derart, dass dadurch auch wirklich gewährleistet ist, dass die Strömung tatsächlich über den
gewünschten
Durchmesserbereich in das Verdichterrad eintritt. Dies bedeutet also
eine besonders präzise
Einstellbarkeit des Eintrittsquerschnitts, wodurch der Verdichter
besonders präzise,
wie gewünscht,
auf einen jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine
einstellbar ist, wodurch ein besonders effizienter Betrieb des Verdichters,
des Abgasturboladers und damit der Verbrennungskraftmaschine mit
allen in diesem Zusammenhang bereits beschriebenen Vorteilen ermöglicht ist.
Mit anderen Worten bedeutet das, dass der Eintrittsquerschnitt der
Strömung
am Verdichterradeintritt besonders gut quasi abdichtbar und damit verkleinerbar
ist, was eben durch das Anschmiegen der innenseitigen Kante der
Verstellvorrichtung an die Außenkontur
des Verdichterrads erreicht ist.
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Ist
zwischen den beiden Längenbereichen beziehungsweise
Tangenten ein Übergangsbereich vorgesehen,
der parallel zur Drehachse des Verdichterrads oder bogenförmig ausgebildet
ist, so ist eine Verstellvorrichtung in Form eines Konusschiebers geschaffen,
welcher eine besonders effiziente und effektive Einstellung des
Verdichterradeintritts zur Erreichung der beschriebenen Vorteile
ermöglicht.
Ist der Längenbereich
bogenförmig
ausgebildet, so bedeutet dies, dass scharfe Kanten beziehungsweise Ecken
vermieden sind, welche zu Verwirbelungen und Strömungsverlusten führen würden, die
eine Wirkungsgradeinbuße
des Verdichters mit sich zögen.
Dies ist durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform vermieden.
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Eine
rotationssymmetrische Ausgestaltung der Verstellvorrichtung birgt
dabei den Vorteil, dass Strömungsbedingungen über einen
gesamten Innenumfang der Verstellvorrichtung gleich sind, was insbesondere
bei einer Drehung der Verstellvorrichtung positiv ist, da es bei
eben einer Drehung nicht zu veränderten
Strömungsverhältnissen
kommt. Somit sind die beschriebenen Vorteile auch bei einer Drehung beziehungsweise
axialen Verschiebung der Verstellvorrichtung gegeben.
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Ist
mittels der Verstellvorrichtung eine axiale Strömungseintrittsfläche des
Verdichterrads in einem Bereich von 10% bis 20% oder gar über 20%
variierbar, so ist dadurch eine besonders deutliche Verbreiterung
des Verdichterkennfelds erreicht, wodurch der Verdichter an ein
besonders großes
Spektrum an Betriebspunkten der korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
anpassbar ist und somit ein besonders effizienten Betrieb des Abgasturboladers und
damit der Verbrennungskraftmaschine erlaubt zur Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen
der Verbrennungskraftmaschine bei gleichzeitiger Realisierung einer
Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine zur Darstellung eines geforderten
Motormoments beziehungsweise einer Motorleistung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Verstellvorrichtung mittels eines Aktuators
verstellbar, welcher als Elektromotor ausgebildet ist. Dies birgt
den Vorteil, dass dadurch die Verstellvorrichtung besonders schnell
zwischen zwei Positionen bewegbar ist, wodurch eine besonders schnelle
Anpassung an einen sich ändernden
Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine realisiert ist. Somit
sind die beschrieben Vorteile bei einer Änderung des Betriebspunkts
der Verbrennungskraftmaschine idealer Weise innerhalb eines Arbeitsspiels auch
bei dem neuen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine erreichbar.
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Ist
der Aktuator als eine pneumatische Druckdose ausgebildet, so birgt
dies den Vorteil, dass dadurch der Aktuator ein nur geringes Gewicht aufweist,
wodurch auch ein Gesamtgewicht des Abgasturboladers und damit ein
Gesamtgewicht der Verbrennungskraftmaschine äußerst gering ist, was in einem
geringeren Kraftstoffverbrauch und damit in geringeren CO2-Emissionen resultiert.
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Die
Ausbildung des Aktuators als hydraulische Druckdose hat den Vorteil
inne, dass mittels der hydraulischen Druckdose besonders hohe Kräfte zur Verstellung
der Verstelleinrichtung realisierbar sind, wodurch die Verstellvorrichtung
also auch bei hohen Druckverhältnissen
verstellbar und damit alle beschriebenen Vorteile erreichbar sind.
Dadurch ist eine optimale Einstellung der Verstellvorrichtung erreicht,
wobei eine Stellung der Verstellvorrichtung entsprechend Anforderungen
aus einem zu erzeugenden Verhalten der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise
aus Betriebspunkten derselbigen resultieren, welche beispielsweise
mittels einer Steuereinheit in entsprechende Steuerungsbefehle des jeweiligen
Aktuators umgesetzt werden und damit die Verstellvorrichtung gesteuert
oder geregelt wird.
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Eine
besonders einfache und unaufwändige und
damit kostenunintensive Realisierung einer Führung der Verstellvorrichtung
ist dadurch erreicht, dass die Verstellvorrichtung mit zumindest
einer Nut im Verdichtergehäuse
geführt
ist. Weist diese Nut einen Winkel zu einer Längsebene des Verdichters auf und
ist die Verstellvorrichtung mittels zumindest eines Stifts in dieser
Nut geführt,
so ist es dadurch ermöglicht,
mittels einer Drehbewegung eines Außenrings, in welchem der Stift
geführt
ist, diese Drehbewegung des Außenrings
in einer Axialbewegung der Verstellvorrichtung umzusetzen, um damit
den Eintrittsquerschnitt der Strömung
am Verdichterradeintritt zu beeinflussen und damit den Verdichter
an den jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine anzupassen
zur Erreichung aller beschriebenen Vorteile. Dies birgt den Vorteil,
dass dadurch eine besonders einfache und unkomplizierte Verstellung der
Verstellvorrichtung ermöglicht
ist, was in geringen Kosten für
die Verstellvorrichtung und damit in geringen Gesamtkosten für den Abgasturbolader
resultiert.
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Idealer
Weise ist die Verstellvorrichtung mittels dreier Stifte geführt, welche
gleichmäßig, insbesondere
im jeweiligen Abstand von 120°, über einen Umfang
der Verstellvorrichtung angeordnet sind. Dadurch ist eine sichere
und definierte Führung
der Verstellvorrichtung erreicht, wodurch es nicht zu ungewollten
Fehlstellungen während
eines Betriebs und damit zu ungewollten ineffizienten und damit
wirkungsgradschlechten Betriebsverhalten kommt. Umgekehrt gesprochen
ist dadurch somit ein sicherer Betrieb in allen Betriebspunkten
zur Erreichung aller beschriebenen Vorteile ermöglicht.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
stromab des Verdichterrads eine weitere Verstellvorrichtung vorgesehen, mittels
welcher Strömungsparameter
an einem Verdichterradautritt beeinflussbar sind. Durch die Vorsehung
einer weiteren Verstellvorrichtung stromab des Verdichterrads eine
weitere Verstellvorrichtung vorgesehen, mittels welcher Strömungsparameter
an einem Verdichterradaustritt beeinflussbar sind. Durch die Vorsehung
einer weiteren Verstellvorrichtung stromab des Verdichterrads ist
das Spektrum der Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine, an welche
der Verdichter anpassbar ist zur Realisierung eines effizienten
und damit verbrauchsoptimalen Betriebs, nochmals deutlich erweitert.
Damit sind die Strömungsverhältnisse
sowohl stromauf als auch stromab des Verdichterrads optimal an den
jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine anpassbar
zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen
bei gleichzeitiger Realisierung der Luftversorgung zur Darstellung
eines abgefragten Motormoments beziehungsweise einer abgefragten
Motorleistung.
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Insbesondere
die Ausbildung der weiteren Verstellvorrichtung als ein Diffusor
mit einer Mehrzahl an Schaufelelementen erlaubt eine besonders effiziente
und breite Möglichkeit
der Anpassung des Verdichters an einen jeweiligen Betriebspunkt
der Verbrennungskraftmaschine zur Erreichung in diesem Zusammenhang
beschriebenen Vorteile.
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Ein
Verfahren zum Betrieben eines Verdichters für einen Abgasturbolader mit
einem Verdichtergehäuse,
mittels welchem ein erfindungsgemäßes Verdichterrad aufgenommen
ist, sieht vor, dass eine stromab des Verdichterrads vorgesehene,
axial verschiebbare Verstellvorrichtung in Abhängigkeit eines Betriebspunkts
einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine zwischen einer
Schließposition und
einer Offenposition verschoben wird. Dabei sind vorteilhafte Ausgestaltungsformen
des Verdichters beziehungsweise des Verdichterrads als vorteilhafte Ausführungsformen
des Verfahrens anzusehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
ist ein besonders breites Verdichterkennfeld ermöglicht, wodurch der Verdichter
an ein besonders breites Spektrum an Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine
anpassbar ist. Dies bedeutet eine Realisierung eines verbrauchsoptimalen
Betriebs der Verbrennungskraftmaschine in einem breiten Bereich
an Betriebspunkten und damit eine Reduzierung der CO2-Emissionen
bei gleichzeitiger Realisierung der Luftversorgung zur Generierung
eines abgefragten Motormoments beziehungsweise einer Motorleistung.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Abgasrückführung und
einem zweistufigen Aufladesystem gemäß dem Stand der Technik,
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2 abschnittsweise
eine Längsschnittansicht
eines Verdichters mit einem mittels eines Turbinengehäuses aufgenommenen
Verdichterrad und einer axial verschiebbaren Verstellvorrichtung
zur Beeinflussung von Strömungsparametern
an einem Verdichterradeintritt,
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3 eine
schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung und
mit einer zu 1 alternativen Ausführungsform eines
zweistufigen Aufladesystems und
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4 eine
schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung und
einer weiteren alternativen Ausführungsform
eines zweistufigen Aufladesystems.
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Während die 1 in
einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine mit
einem zweistufigen Aufladesystem gemäß dem Stand der Technik zeigt,
zeigt die 2 einen Verdichter mit einem
in einem Turbinengehäuse
aufgenommenen Verdichterrad und einer Verstellvorrichtung, welcher eine
Verbreiterung eines Verdichterkennfelds zur besseren und effizienteren
Anpassung des Verdichters an Betriebspunkte einer korrespondierenden Verbrennungskraftmaschine
ermöglicht.
Die 3 und 4 zeigen in jeweils einer schematischen Darstellung
eine Verbrennungskraftmaschine mit einem zweistufigen Aufladesystem,
in welchem ein Verdichter gemäß 2 zum
Einsatz kommt, wobei im Aufladesystem gemäß 4 eine weitere
Verstellvorrichtung stromab des Verdichterrads des Verdichters vorgesehen
ist.
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Die 1 zeigt
eine Verbrennungskraftmaschine 10 mit vier Zylindern 16, 18, 20 und 22. Über einen
Einlasstrakt 12 der Verbrennungskraftmaschine 10 wird
je nach Ausführungsform
der Verbrennungskraftmaschine 10 Frischluft oder Frischgemisch
in die Zylinder 16, 18, 20 und 22 angesaugt, und
eine Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs durchgeführt, woraufhin ein Abgas über einen Auslasstrakt 14 aus
den Zylindern 16, 18, 20 und 22 ausgeschoben
wird.
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Die
Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ein Abgasrückführungssystem 24 mit
einem Abgasrückführungs-Kühler 28 und
einem Abgasrückführungs-Ventil 26. Über das
Abgasrückführungssystem 24 ist
Abgas aus dem Auslasstrakt 14 in den Einlasstrakt 12 rückführbar unter
anderem zur Minderung von Stickoxiden, welche insbesondere bei einer
Verbrennungskraftmaschine 10 mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung
entstehen.
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Zur
Steigerung eines maximalen Motormoments der Verbrennungskraftmaschine 10 ist
ein zweistufiges Aufladesystem 30 vorgesehen, welches einen
Hochdruck-Turbolader 32 und einen Niederdruck-Turbolader 34 umfasst.
Auf einer Abgasseite des Aufladesystems 30 ist eine Hochdruckturbine 36 des
Hochdruck-Turboladers 32 vorgesehen, welchem über eine
Verrohrung entsprechend einem Richtungspfeil 40 Abgas zugeführt wird,
wodurch die Hochdruckturbine 36 angetrieben wird. Die Hochdruckturbine 36 ist
dabei mittels eines Bypass-Ventils 38 vom Abgas umströmbar, was
bedeutet, dass abhängig
von einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 Abgas
an der Hochdruckturbine 36 vorbeigeleitet werden kann,
falls diese an ihre Durchsatzgrenze stößt.
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Analoges
gilt für
den Niederdruck-Turbolader 34 des Aufladesystems 30,
der auf der Abgasseite des Aufladesystems 30 eine Niederdruckturbine 44 aufweist,
die ebenfalls über
ein Bypass-Ventil 46 vom Abgas umströmt werden kann. Stromab des
Aufladesystems 30 strömt
das Abgas auf der Abgasseite gemäß eines
Richtungspfeils 48 weiter in beispielsweise nicht dargestellte
Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
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Auf
einer Luftseite des Aufladesystems 30 wird gemäß eines
Richtungspfeils 50 Frischluft aus der Umgebung angesaugt
und mittels eines Niederdruckverdichters 52 des Niederdruck-Turboladers 34 vorverdichtet.
Der Niederdruckverdichter 52 wird dabei über eine
in einem Gehäuse
des Niederdruck-Turboladers 34 gelagerte Welle 54 von
der Niederdruckturbine 44 angetrieben. Stromab des Niederdruckverdichters 52 ist
ein Hochdruckverdichter 56 des Hochdruck-Turboladers 32 angeordnet, welcher über eine
in einem Gehäuse
des Hochdruck-Turboladers 32 gelagerte Welle 58 von
der Hochdruckturbine 36 angetrieben wird. Der Hochdruckverdichter 56 ist
mittels eines Bypass-Ventils umströmbar, wobei die Umströmung ebenfalls
von einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10 abhängt. Der
Hochdruckverdichter 56 wird umströmt, falls er an seine Durchsatzgrenze
kommt. Weiter stromab ist ein Ladeluftkühler 60 vorgesehen, welche
eine Temperatur der verdichteten Luft absenkt um damit eine höhere Luftdichte
in den Zylindern 16, 18, 20 und 22 und
damit ein höheres
Moment der Verbrennungskraftmaschine 10 zu erreichen.
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Die 1 zeigt
somit ein System aus der Verbrennungskraftmaschine 10 und
dem zweistufigen Aufladesystem 30 gemäß dem Stand der Technik, bei
welchem die By-Passierung
des Hochdruckverdichters 56 mittels des Bypass-Ventils 58 unakzeptable
Unstetigkeiten des Aufladesystems 30 und damit auch für einen
Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 entstehen lässt. Zur
Lösung
dieses Problems ist der in 2 dargestellte
Verdichter bereitgestellt, der insbesondere bei einem zweistufigen Aufladesystem 30 gemäß 1 als
Hochdruckverdichter zum Einsatz kommen kann.
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Die 2 zeigt
also einen Verdichter 70, welcher ein Turbinengehäuse 72 umfasst.
Mittels des Turbinengehäuses 72 ist
ein Turbinenrad 74 aufgenommen, welches über eine
nicht dargestellte Welle durch eine nicht dargestellte Turbine eines
zu dem Verdichter 70 korrespondierenden Abgasturboladers angetrieben
wird. Das Verdichterrad 74 weist eine Mehrzahl an Schaufelelementen
auf, wovon in der abschnittsweisen Längsschnittdarstellung des Verdichters 70 ein
Schaufelelement 75 stellvertretend dargestellt ist. Das
Schaufelelement 75 weist wie in der 2 dargestellt
eine konische Außenkontur 76 auf,
deren mittlere Tangente 78 mit einer Drehachse 80 des
Verdichterrads 74 einen Winkel ε einschließt, der vorteilhafter Weise
in einem Bereich von 15° bis 90° beziehungsweise
von 25° bis
50° liegt.
Wie in der 2 zu sehen ist, beginnt die
konische Außenkontur 76 an
einer Schaufeleintrittkante 82, welche auch als Radeintrittskante
zu bezeichnen ist, und erstreckt sich in axialer Richtung des Schaufelelements 75.
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Über der
konischen Außenkontur 76 ist
eine axial verschiebbare Verstellvorrichtung 84 in Form
eines Konusschiebers 84 angeordnet, der in axialer Richtung
längs der
Drehachse 80 verschiebbar ist. Eine innenseitige Kante 86 des
Konusschiebers 84 ist derart gestaltet, dass sie im Bereich
der Außenkontur 76 des
Schaufelelements 75 parallel zu dieser verläuft, wodurch
in einer in der 2 dargestellten Schließposition
des Konturschiebers 84 ein Parallelspalt zwischen der Außenkontur 76 und
der Kante 86 vorliegt. Weiter dient die Kante 86 zur
Führung
einer Strömung,
welche beispielsweise Luft ist und gemäß einer Richtung eines Richtungspfeils 88 in
den Verdichter 70 einströmt und im Bereich der Schaufeleintrittskante 82 in
das Verdichterrad 74 eintritt. Die in der 2 gezeigte
Form der Kontur 86 sorgt weiterhin für eine Beschleunigung der Strömung beziehungsweise
für eine
Strömungsflächenreduktion
kurz vor der Schaufeleintrittskante 82.
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Ein
Anschlagsbereich 90 des Verdichtergehäuses 72 gehorcht einer
entsprechenden Gestaltung des Konusschiebers 84 um einen
spaltfreien Anschlag in der Schließposition des Konusschiebers 84 zu
erreichen zur Vermeidung von Fehlströmungen. Zudem weist das Turbinengehäuse 72 einen
zylindrischen Schiebebereich 92 auf, in welchem der Konusschieber 84 in
axialer Richtung verschoben werden kann. Zur Darstellung einer zuverlässigen axialen Verstellung
sind relativ geringe geometrische Toleranzen zum Verdichtergehäuse 72 hin
notwendig. Der in der 2 dargestellte Anschlagsbereich 90 ist dabei
so gestaltet und optimiert, dass bei von dem Anschlagsbereich 90 abgehobenen
Konusschieber, also wenn dieser aus seiner in der 2 dargestellten
Schließposition
herausbewegt wird, was durch die strichlierte Darstellung des Konusschiebers 84 dargestellt
ist, noch eine gewisse Beschleunigung der Strömung erfolgen kann. Da ein
Freigeben der Außenkontur 76 beziehungsweise
eines Bereichs der Außenkontur 76 mit
größeren Rezirkulationsströmungsgebieten über der
Außenkontur 76 einhergeht, ist
es anzustreben, besonders eine Optimierung des düsenförmigen Anschlagsbereichs 90 zu
betreiben, um unterschiedliche Wirkungsgradgebiete des variablen
Verdichters 70 mit Anforderungen einer korrespondierenden
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei hohen Drehzahlen derselbigen,
optimal in Einklang zu bringen.
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Insbesondere
bei Hochdruckverdichtern zweistufiger Aufladesysteme, beispielsweise
gemäß 1,
ist durch die in der 2 dargestellten Optimierungsmaßnahmen
eine By-Passierung
des Hochdruckverdichters eines derartigen Aufladesystems vollständig verhinderbar,
wodurch ein Aufladesystem geschaffen ist, dass sehr positive Einwirkungsmöglichkeiten
auf hohe Anfahr- und Beschleunigungsmomente, wie auch auf einer
Erzeugung von Maximalleistungen mit befriedigenden Kraftstoffverbräuchen einer
jeweiligen Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist, bei gleichzeitiger
Vermeidung von Unstetigkeiten im Abgasturbolader-Motorverhalten
und Abdichtproblemen der By-Passierung
des Hochdruckverdichters.
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Eine
bedeutende Rolle für
ein Gesamtverhalten des Verdichters 70 während eines
Betriebs spielt eine auslegungsmäßige Zuordnung
eines engsten Radeintrittquerschnitts D1,min,
welcher in der Schließposition
des Konusschiebers 84 eingestellt ist, zu einem engsten
Querschnitt 98 eines stromab des Verdichterrads 74 angeordneten
Diffusors 96. Dabei sind vielerlei Auslegungsstrategien
denkbar. Eine Auslegungsvariante stellt eine starke Reduktion des
Radeintrittsquerschnitts dar, womit eine starke Eintrittsflächenreduktion
des Verdichterrads 74 erreicht ist, gegenüber dem
Diffusor 96, wodurch bei einem Öffnen des Konturschiebers 84 Rezirkulationsverluste
weitgehend durch eine Verbesserung einer günstigeren Flächenzuordnung,
sprich Wirkungsgrad- günstigerer
Verdichter-Reaktionsgrad, basierend auf einem Verhältnis dieser
beiden Strömungsflächen (Radeintrittsquerschnitt
beziehungsweise Radeintrittsfläche/Diffusorquerschnitt
beziehungsweise Diffusorfläche),
in ihrer Wirkung kompensierbar werden.
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Der
Diffusor 96 ist dabei als freier Ringdiffusor oder, je
nach Anwendung, auch als beschaufelter Diffusor ausgebildet. Die
Strömung
strömt
gemäß einem
Richtungspfeil 100 weiter in eine in der 2 nicht
dargestellte Verdichterspirale.
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Der
Konusschieber 84 in der 2 ist über drei
Bolzen im Verdichtergehäuse 72 geführt, wovon ein
Bolzen 102 stellvertretend in der 2 dargestellt ist.
Die drei Bolzen sind an drei Stellen über einem Umfang des rotationssymmetrischen
und im Wesentlichen hülsenförmigen Konusschiebers 84 in 120°-Schritten
angeordnet und in Kulissennuten geführt, wovon eine Kulissennut 104 in
der 2 stellvertretend dargestellt ist. Die Kulissennut 104 ist
dabei unter einem Winkel zu einer Längsschnittebene des Verdichters 70 in
das Verdichtergehäuse 72 eingebracht.
Weiteres sind die drei Bolzen mit einem nicht dargestellten Außenring
verbunden, der über einen
Aktuator in eine kontrollierte Drehung versetzt wird und damit eine
axiale Bewegung des Konusschiebers 84 in eine gewünschte Position
bewirkbar ist.
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Wie
in der 2 zu sehen, ist dabei der Konusschieber 84 gemäß eines
Richtungspfeils 94 in der Kulissennut 104 verschiebbar,
wodurch am Verdichterrad 74 unterschiedliche Durchmesserbereiche,
also Eintrittsquerschnitte, über
welche die Strömung
in das Verdichterrad 74 eintreten kann, darstellbar. Die
Grenzen des Eintrittsquerschnitts sind dabei durch D1,min und
D1,max dargestellt. Die Durchmesserbereiche
sind dabei jeweils proportional zur Wurzel der jeweiligen Eintrittsfläche.
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In
den 3 und 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente wie in den 1 und 2.
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Für das in 3 dargestellte
System aus der Verbrennungskraftmaschine 10 und einem zweistufigen
Aufladesystem 30' gilt
das für 1 gesagte analog.
Der Unterschied besteht darin, dass das zweistufige Aufladesystem 30' im Unterschied
zur 1 einen Hochdruck-Turbolader 32' umfasst, welcher
sich von dem Hochdruck-Turbolader 32 gemäß 1 darin
unterscheidet, dass auf einer Luftseite des Hochdruck-Turboladers 32' als Verdichter
der Verdichter 70 gemäß 2 vorgesehen
ist. Für
diesen Verdichter 70 gilt das zu 2 gesagte
analog. Das heißt,
der Verdichter 70 umfasst ebenso den Konusschieber 84,
der gemäß eines
Richtungspfeils 59 in axialer Richtung verschiebbar ist.
Wie in der 3 zu sehen ist, ist dadurch
eine By-Passierung des Verdichters 70, der im Aufladesystem 30' die Rolle eines Hochdruckverdichters
einnimmt, obsolet, wodurch auch die bereits genannten Probleme einer
By-Passierung, nämlich
in Form von Abdichtproblemen oder Unstetigkeiten in einem Betrieb
des Aufladesystems 30 in Bezug zur Verbrennungskraftmaschine 10,
vermieden sind.
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Die 4 zeigt
eine zur 3 unterschiedliche Ausführungsform
eines Systems aus der Verbrennungskraftmaschine 10 und
einem zweistufigen Aufladesystem 30''.
Das zweistufige Aufladesystem 30'' unterscheidet
sich von dem zweistufigen Aufladesystem 30' gemäß 3 insofern,
als dass zusätzlich
zu dem Konusschieber 84 des Verdichters 70 stromab
des Verdichterrads 74 ein variabler Diffusor 110 vorgesehen
ist, wodurch sich ein Betriebsverhalten eines Hochdruck-Turboladers 32'', welcher den Verdichter 70 umfasst,
in einem noch breiteren Spektrum an Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 anpassbar
ist. Ein Richtungspfeil 114 deutet dabei die Variabilität des Diffusors 110 an.
Weiter ist eine Regelungseinrichtung 112 vorgesehen, die den
Konusschieber 84 und den variablen Diffusor 110 entsprechend
einem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine 10 in
deren Positionen verändert.
Vorstellbar ist auch, dass eine mechanische Kopplung bei einem bestimmten Übersetzungsverhältnis zwischen
den beiden Verstelleinrichtungen (84, 110) vorliegt,
wodurch die Verstellung in einem bestimmten optimalen Reaktionsgradbereich des
Verdichters dann nur mit einem Aktor erfolgen kann.