DE102009014350A1

DE102009014350A1 - Verdichterrad sowie Verdichter und Verfahren

Info

Publication number: DE102009014350A1
Application number: DE200910014350
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Sumser; Markus Dr. Ing. Müller; Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Fledersbacher Peter De; Sumser Siegfried Dipl-Ing De
Priority date: 2009-03-21
Filing date: 2009-03-21
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdichterrad (74) für einen Verdichter (70) eines Abgasturboladers (32', 32'') mit einer Mehrzahl von Schaufelelementen (75) mit einer jeweiligen Außenkontur, welche zumindest einen Längenbereich (76) aufweist, dessen mittlere Tangente (78) in Verdichterlängsrichtung mit einer Drehachse (80) des Verdichterrads (74) einen Winkel (ε) einschließt, wobei die mittlere Tangente (78) mit der Drehachse (80) einen Winkel (ε) in einem Bereich von 15° bis 90° einschließt, sowie ein Verdichter (70) für einen Abgasturbolader (32', 32'') mit einem Verdichtergehäuse (72), mittels welchem ein Verdichterrad (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgenommen ist, wobei stromauf des Verdichterrads (74) eine axial verschiebbare Verstellvorrichtung (84) vorgesehen ist, mittels derer Strömungsparameter an einem Verdichterradeintritt (82) beeinflussbar sind.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Zeichnungen zeigen in:
1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung und einem zweistufigen Aufladesystem gemäß dem Stand der Technik,
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,
3 eine schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung und mit einer zu 1 alternativen Ausführungsform eines zweistufigen Aufladesystems und
4 eine schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasrückführung und einer weiteren alternativen Ausführungsform eines zweistufigen Aufladesystems.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine bedeutende Rolle für ein Gesamtverhalten des Verdichters 70 während eines Betriebs spielt eine auslegungsmäßige Zuordnung eines engsten Radeintrittquerschnitts D_1,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.
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.
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.
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 D_1,min und D_1,max dargestellt. Die Durchmesserbereiche sind dabei jeweils proportional zur Wurzel der jeweiligen Eintrittsfläche.
In den 3 und 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente wie in den 1 und 2.
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.
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.

Claims

Verdichterrad (74) für einen Verdichter (70) eines Abgasturboladers (32', 32'') mit einer Mehrzahl von Schaufelelementen (75) mit einer jeweiligen Außenkontur, welche zumindest einen Längenbereich (76) aufweist, dessen mittlere Tangente (78) in Verdichterlängsrichtung mit einer Drehachse (80) des Verdichterrads (74) einen Winkel (ε) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Tangente (78) mit der Drehachse (80) einen Winkel (ε) in einem Bereich von 15° bis 90° einschließt.
Verdichterrad (74) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Tangente (78) mit der Drehachse (80) einen Winkel (ε) in einem Bereich von 25° bis 50° einschließt.
Verdichterrad (76) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenbereich (76) in Strömungsrichtung über die ersten 10% bis 30% der gesamten Längserstreckungsrichtung des Verdichterrads (74) ausgebildet ist.
Verdichter (70) für einen Abgasturbolader (32', 32'') mit einem Verdichtergehäuse (72), mittels welchem ein Verdichterrad (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgenommen ist, wobei stromauf des Verdichterrads (74) eine axial verschiebbare Verstellvorrichtung (84) vorgesehen ist, mittels derer Strömungsparameter an einem Verdichterradeintritt (82) beeinflussbar sind.
Verdichter (70) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) im Wesentlichen hülseförmig ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) eine im Längsschnitt innenseitige Kante (86) aufweist, welche zumindest zwei einen Winkel einschließende Längenbereiche bzw. jeweilige Tangenten umfasst.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Längenbereich bzw. eine jeweilige Tangente zumindest bereichsweise parallel zu dem Längenbereich (76) der Außenkontur ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Längenbereichen bzw. Tangenten ein Übergangsbereich vorgesehen ist, der parallel zur Drehachse des Verdichterrads ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Längenbereichen bzw. Tangenten ein Übergangsbereich vorgesehen ist, der bogenförmig ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Verstellvorrichtung (84) eine axiale Strömungseintrittsfläche des Verdichterrads (74) in einem Bereich von 10% bis 20% vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Verstellvorrichtung (84) eine axiale Strömungseintrittsfläche des Verdichterrads (74) über 20% vergrößerbar oder verkleinerbar ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) mittels eines Aktuators verstellbar ist.
Verdichter (70) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als ein Elektromotor ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als eine pneumatische Druckdose ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als eine hydraulische Druckdose ausgebildet ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) mittels zumindest einer Nut (104) im Verdichtergehäuse (72) geführt ist.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) mittels zumindest eines Stifts (102) geführt ist.
Verdichter (70) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (84) mittels dreier Stifte (102) geführt ist, welche gleichmäßig, insbesondere im jeweiligen Abstand von 120°, über einen Umfang der Verstellvorrichtung (84) angeordnet sind.
Verdichter (70) nach einem der Ansprüche 4 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Verdichterrads (74) eine weitere Verstellvorrichtung vorgesehen ist (110), mittels welcher Strömungsparameter an einem Verdichterradaustritt beeinflussbar sind.
Verdichter (70) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Verstellvorrichtung (110) als ein Diffusor mit einer Mehrzahl an Schaufelelementen ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Verdichters (70) für einen Abgasturbolader (32, 32'') mit einem Verdichtergehäuse (72), mittels welchem ein Verdichterrad (74) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgenommen ist, bei welchem eine stromauf des Verdichterrads vorgesehene, axial verschiebbare Verstellvorrichtung (84) in Abhängigkeit eines Betriebspunkts einer korrespondierenden Verbrennungsmaschine (10) zwischen einer Schließposition und einer Offenposition verschoben wird.