DE102011120167A1

DE102011120167A1 - Verdichter für einen Abgasturbolader,insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011120167A1
Application number: DE102011120167A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Sumser Siegfried; Dr.-Ing. Müller Markus; Dipl.-Ing. Stiller Michael; Dipl.-Ing. Löffler Paul; Elias Chebli
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2011-12-06
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (28) für einen Abgasturbolader (20), insbesondere eines Kraftwagens, mit einem einen Aufnahmeraum (56) aufweisenden Verdichtergehäuse (54), in dessen Aufnahmeraum (56) ein Verdichterrad (34) um eine Drehachse (58) relativ zum Verdichtergehäuse (54) drehbar aufgenommen ist und welches wenigstens einen Abführkanal (60) aufweist, über welchen das Verdichterrad (34) in einem Abströmbereich (62) des Verdichterrads (34) abströmende Luft von dem Verdichterrad (34) abführbar ist, wobei in dem Abströmbereich (62) eine erste Abströmkante (68) und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante (68) anschließende und mit der ersten Abströmkante (68) einen von 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante (70) des Verdichterrads (34) vorgesehen sind, wobei der Verdichter (28) zumindest ein zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung bewegbares Stellelement (74) umfasst, mittels welchem die zweite Abströmkante (70) in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante (70) in radialer Richtung überdeckt und in der Offenstellung in dem Teilbereich freigegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung von aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen sowohl für Personenkraftwagen- wie auch für Nutzkraftwagen-Anwendungen werden stetig zunehmende Anforderungen an besonders breite Verdichterkennfelder gestellt. Bei vorgegebenem Nennpunkt eines solchen Verdichters, also mit dem Nenndurchsatz, wird auch die Pumpgrenzenlage des Verdichters maßgebend bestimmt. Die Drehmomentlinie mit maximal darstellbaren Werten von Motordrehmomenten einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine wird somit bis zu mittleren Motordrehzahlen durch die Pumpgrenze des Verdichters festgelegt. Bezogen auf das Verdichterkennfeld ist links der Pumpgrenze bei relativ kleinen Durchsätzen ein stabiler Betrieb der Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Pumpstößen nicht realisierbar, da der Verdichter und damit der Abgasturbolader hier oft nach nur geringen Laufzeiten durch Schadensfälle zerstört werden. Dies resultiert aus hohen mechanischen Beanspruchungen in dem instabilen Verdichterkennfeldbereich.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind sogenannte Kennfeld stabilisierende Maßnahmen bekannt, mittels welchen auf die Pumpgrenze hinsichtlich einer Verschiebung zu relativ geringen Durchsätzen eingewirkt wird. Dadurch sind das Anfahrmoment sowie das Beschleunigungsmoment und das maximal ermöglichbare Motormoment der Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zu einer Verdichter ohne eine solche Kennfeld stabilisierende Maßnahme hin zu deutlich höheren Werten verschiebbar.
Eine Kennfeld stabilisierende Maßnahme ist aus der DE 198 23 274 C1 bekannt. Dort ist ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine offenbart, der eine Turbine und einen von der Turbine angetriebenen Verdichter umfasst. Der Verdichter weist ein Verdichterrad in einem Verdichter-Strömungskanal auf. Der Verdichter umfasst einen Bypass zum Verdichterrad, der über mindestens eine Strömungsöffnung mit dem Verdichter-Strömungskanal kommuniziert. Dabei ist eine erste Strömungsöffnung des Bypass im Verdichter-Strömungskanal stromauf der Verdichterrad-Eintrittskante angeordnet. Ferner ist ein zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung verstellbares Verschlusselement im Bypass zur variablen Einstellung des wirksamen Strömungsquerschnitts des Bypass vorgesehen. Das Verschlusselement ist dabei als verstellbares Leitgitter ausgebildet.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige sowie anderweitige Kennfeld stabilisierende Maßnahmen zur Verbreiterung des Verdichterkennfelds zukünftige Anforderungen an Aufladungen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Ottomotoren, unter Umständen nicht mehr erfüllen können.
Darüber hinaus sind aus dem allgemeinen Stand der Technik zweistufige Aufladeeinrichtungen zum Aufladen von Verbrennungskraftmaschine bekannt, welche jeweils einen Hochdruck-Verdichter und einen seriell zu diesem gestalteten Niederdruck-Verdichter umfassen. Dabei bestimmt der Hochdruck-Verdichter den Luftdurchsatz, wodurch komplexe Umgehungseinrichtungen des Hochdruck-Verdichters zu realisieren sind, die jedoch in Umschaltphasen zwischen einem Betrieb mit nur einem der Verdichter und einem Betrieb mit beiden Verdichtern zu unakzeptablen mechanischen und strömungsseitig unstetigen Verläufen wichtiger motorischer Parameter führen. Die Funktionalität wie auch das Fahrverhalten einer solchen zweistufigen Aufladeeinrichtung ist somit mit Störgrößen versehen, die in vielen Fällen zu einer geringen Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine beitragen und einen erhöhten Reparaturaufwand mit sich ziehen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter für amen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, mit einer verbesserten Betreibbarkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere für einen Kraftwagen, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein solcher Verdichter für einen Abgasturbolader, insbesondere eines Kraftwagens, umfasst ein Verdichtergehäuse, welches einen Aufnahmeraum aufweist. In dem Aufnahmeraum ist ein Verdichterrad des Verdichters um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar aufgenommen. Das Verdichtergehäuse weist ferner wenigstens einen Abführkanal auf, über welchen das Verdichterrad in einem Abströmbereich des Verdichterrads abströmende Luft von dem Verdichterrad abführbar ist. Mit anderen Worten strömt die mittels des Verdichterrads verdichtete Luft in dem Abströmbereich von dem Verdichterrad ab und in den Abführkanal ein.
Erfindungsgemäß sind in dem Abströmbereich eine erste Abströmkante und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante anschließende und mit der ersten Abströmkante einen von 180° unterschiedlichen Winkel anschließende zweite Abströmkante des Verdichterrads vorgesehen.
Des Weiteren umfasst der Verdichter zumindest ein Stellelement, welches zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung insbesondere relativ zu dem Verdichtergehäuse bewegbar ist. Mittels des Stellelements ist die zweite Abströmkante in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante in radialer Richtung überdeckt. In der Offenstellung des Stellelements ist die zweite Abströmkante in dem Teilbereich freigegeben. Dies bedeutet, dass die Luft das Verdichterrad in der Schließstellung des Stellelements in dem Teilbereich nicht abströmen kann. Befindet sich das Stellelement in seiner Offenstellung, so kann die verdichtete Luft das Verdichterrad auch in dem Teilbereich abströmen.
Durch das Stellelement ist eine Radaustrittsvariabilität dargestellt, mittels welcher in Zusammenspiel mit der entsprechenden Ausgestaltung des Verdichterrads im Abströmbereich eine besonders große Durchsatzspreizung des erfindungsgemäßen Verdichters ermöglicht ist. Dieser weist somit ein besonders breites Kennfeld auf, woraus ein besonders vorteilhafter Betrieb des erfindungsgemäßen Verdichters resultiert.
So kann eine Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Verdichter sowohl bei hohen Drehzahlen und hohen Abgasmassenströmen wie auch bei demgegenüber besonders geringen Drehzahlen und geringen Abgasmassenströmen, beispielsweise beim Anfahren, beim Beschleunigen oder dergleichen, besonders hohe Drehmomente und hohe Leistungen bereitstellen und weist ein besonders vorteilhaftes Fahrverhalten auf. Insbesondere ist es mittels des erfindungsgemäßen Verdichters möglich, die eingangs geschilderte Umgehung des Verdichters durch die Luft zu vermeiden oder in geringen Grenzen zu halten, so dass die geschilderten, das Fahrverhalten negativ beeinflussenden Effekte vermeidbar sind.
Mittels des Stellelements ist es möglich, einen Radaustrittströmungsquerschnitt, über welchen die Luft von dem Verdichterrad abgeführt wird, variabel einzustellen und somit den Verdichterdurchsatz sowie die Kennfeldbreite maßgeblich in weiten Grenzen zu beeinflussen.
Darüber hinaus weist der erfindungsgemäße Verdichter insbesondere aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung der Abströmkanten in dem Abströmbereich sehr günstige aerodynamische Eigenschaften auf, welche zu günstigen Strömungsverhältnissen der das Verdichterrad abströmenden Luft führen. Dadurch kann der erfindungsgemäße Verdichter die Luft effizient verdichten, was zu einem geringen Kraftstoffverbrauch sowie zu geringen CO₂-Emissionen der zugehörigen Verbrennungskraftmaschine führt.
Die Verbrennungskraftmaschine, bei welcher der Verdichter verwendet werden kann, kann als Dieselmotor, Ottomotor, Diesottomotor oder anderweitige Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Verdichter ist insbesondere bei einem Ottomotor vorteilhaft, da dieser eine besonders hohe Durchsatzspreizung aufweist. Der erfindungsgemäße Verdichter kann bei Personenkraftwagen- wie auch bei Nutzkraftwagen-Anwendungen verwendet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die erste Abströmkante zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, d. h. zumindest im Wesentlichen parallel zur axialen Richtung. Die zweite Abströmkante erstreckt sich dabei schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung. Dadurch weist der Verdichter besonders vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften auf, was zu einem effizienten Betrieb des Verdichters beiträgt. Vorzugsweise ist der Winkel zwischen den Abströmkanten kleiner als 180° und größer als 90°. Dadurch sind sehr günstige Abströmbedingungen geschaffen.
in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die Abströmkanten gerade ausgebildet. Dies führt einerseits zu sehr guten aerodynamischen Eigenschaften des Verdichters. Andererseits ist das Verdichterrad dadurch zeit- und kostengünstig herstellbar, was zu geringen Kosten des erfindungsgemäßen Verdichters führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Stellelement einen der zweiten Abströmkante zugeordneten Wandungsbereich auf, mittels welchem die zweite Abströmkante in der Schließstellung in dem Teilbereich überdeckt ist. Der Wandungsbereich weist dabei eine zu einer Außenkontur der zweiten Abströmkante zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur auf. Somit kann die zweite Abströmkante in der Schließstellung effizient und effektiv abgedeckt werden, wodurch Sekundärströmungen vermieden oder sehr gering gehalten werden können.
Verläuft die zweite Abströmkante beispielsweise zumindest im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und ist die zweite Abströmkante dabei gerade, d. h. eben ausgebildet, so verläuft entsprechend auch der Wandungsbereich des Stellelements zumindest im Wesentlichen schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung und ist ebenso gerade bzw. eben ausgebildet. Der Wandungsbereich und die zweite Abströmkante verlaufen somit zumindest im Wesentlichen parallel zueinander.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung schließt sich in radialer Richtung nach außen hin an das Stellelement eine den Abführkanal axial begrenzende Wandung des Verdichters, insbesondere des Verdichtergehäuses, an. Das Stellelement ist dabei relativ zu dieser Wandung bewegbar. Dabei ist vorgesehen, dass die Wandung zumindest in der Schließstellung des Stellelements in axialer Richtung bezüglich des Stellelements zurückversetzt ist. Dadurch ist ein Diffusor, insbesondere ein Carnot-Diffusor, dargestellt, welcher sich vorteilhaft auf die Strömung der Luft von dem Verdichterrad durch den Abführkanal auswirkt. Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Diffusoreffekts, insbesondere in der Schließstellung des Stellelements, verläuft die Wandung vorzugsweise zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung, d. h. zumindest im Wesentlichen parallel zur radialen Richtung.
Wird das Stellelement aus der Schließstellung in die Offenstellung bewegt, so wird dadurch der Grad der Zurückversetzung der Wandung gegenüber dem Stellelement verkleinert. Dadurch wird auch die Diffusorwirkung abgeschwächt, was insbesondere bei hohen Durchsätzen von Vorteil sein kann.
Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die den Abführkanal begrenzende Wandung sowie eine den Abführkanal zumindest in der Offenstellung begrenzende Seite des Stellelements in der Schließstellung desselbigen zumindest im Wesentlichen bündig zueinander angeordnet sind. Dadurch ist die in der Schließstellung des Stellelements durch das Zurückversetzen der Wandung erzeugte Diffusorwirkung in der Offenstellung des Stellelements aufgehoben, was sich günstig auf die Strömung der Luft auswirken kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Verhältnis der Erstreckung (Länge) der zweiten Abströmkante zu der Erstreckung (Länge) der ersten Abströmkante größer als 0,5, insbesondere größer als 0,8. Daraus ergeben sich besonders vorteilhafte Strömungsbedingungen und aerodynamische Eigenschaften des Verdichters für die Luft.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist in dem Abführkanal wenigstens ein Trennelement angeordnet, mittels welchem der Abführkanal zumindest teilweise bezogen auf die axiale Richtung in einen ersten Teilkanal und in einen zweiten Teilkanal unterteilt ist. Dabei ist ein erster Strömungsquerschnitt des ersten Teilkanals mittels des Stellelements einstellbar. Mit anderen Worten ist der erste Strömungsquerschnitt in der Schließstellung des Stellelements gegenüber der Offenstellung des Stellelements verengt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der erste Strömungsquerschnitt in der Schließstellung des Stellelements auf zumindest im Wesentlichen Null reduziert ist. Dies bedeutet, dass der erste Teilkanal in der Schließstellung nicht von Luft durchströmbar ist und lediglich in der Offenstellung des Trennelements fluidisch freigegeben ist.
Durch die Unterteilung des Abführkanals können besonders günstige Strömungsverhältnisse dargestellt werden, was dem effizienten Betrieb des Verdichters und damit dem geringen Kraftstoffverbrauch und den geringen CO₂-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine zugute kommt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein weiteres Stellelement vorgesehen, mittels welchem ein zweiter Strömungsquerschnitt des zweiten Teilkanals einstellbar ist. Dies bedeutet, dass das weitere Stellelement zwischen einer ersten Stellung und wenigstens einer zweiten Stellung verstellbar ist. Dabei ist der zweite Strömungsquerschnitt in der zweiten Stellung gegenüber der ersten Stellung freigegeben. Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Strömungsquerschnitt in der ersten Stellung des weiteren Stellelements zumindest im Wesentlichen auf Null eingestellt ist, so dass die Luft in der ersten Stellung des weiteren Stellelements den zweiten Teilkanal nicht mehr durchströmen kann.
Das weitere Stellelement stellt somit eine weitere Radaustrittsvariabilität dar. Durch die beiden Radaustrittsvariabilitäten kann der Radaustrittströmungsquerschnitt, welcher auch als Verdichterradaustrittsfläche bezeichnet wird, besonders variabel und in weiten Grenzen beeinflusst und eingestellt werden. Dadurch ist eine besonders große Durchsatzspreizung des erfindungsgemäßen Verdichters darstellbar, was mit einem besonders breiten Kennfeld des erfindungsgemäßen Verdichters einhergeht.
In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Verdichter wenigstens ein stromauf des Verdichterrads angeordnetes und relativ zum Verdichtergehäuse bewegbares Eintrittsstellelement, mittels welchem Strömungsbedingungen des Verdichters für die das Verdichterrad anströmende Luft stromauf des Verdichterrads einstellbar sind. Das Eintrittsstellelement stellt somit eine Radeintrittsvariabilität dar, mittels welcher der Verdichter stromauf des Verdichterrads an unterschiedliche Betriebsbedingungen und insbesondere an unterschiedliche Betriebspunkte mit unterschiedlichen Massen- bzw. Volumenströmen der Luft variabel und in weiten Grenzen einstellbar ist. So kann der erfindungsgemäße Verdichter vorteilhaft bei geringen wie auch bei großen Volumen- bzw. Massenströmen der Luft betrieben werden, was seinem effizienten Betrieb zugute kommt.
Mittels des Eintrittsstellelements ist es beispielsweise möglich, einen Eintrittsströmungsquerschnitt stromauf des Verdichterrads, über welchen das Verdichterrad von der Luft angeströmt wird, variabel einzustellen, d. h. zu verengen oder demgegenüber freizugeben
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Eintrittsstellelement wenigstens ein Leitteil aufweist, mittels welchem die Luft ableitbar bzw. umlenkbar ist. So ist es beispielsweise möglich, eine stromauf des Eintrittsstellelements zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung verlaufende Strömung der Luft ab- bzw. umzulenken und dieser einen Drall aufzuprägen. Das Eintrittsstellelement fungiert somit als Eintrittsdrallerzeuger, wodurch am Eintritt in das Verdichterrad bzw. in einen Radkanal zwischen zwei Radschaufeln des Verdichterrads eine drallförmige Strömung der Luft vorliegt. Dadurch wird das Verdichterrad vorteilhaft angeströmt und kann die Luft effizient und effektiv verdichten.
Dabei ist es beispielsweise möglich, mittels des Eintrittsstellelements der Strömung der Luft einen Mitdrall wie auch einen Gegendrall, bezogen auf die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit an einer Eintrittskante des Verdichterrads, aufzuprägen. Dabei weist die Drallkomponente der Geschwindigkeit der Luft ein entsprechendes Vorzeichen auf.
Zur besonders vorteilhaften Drallerzeugung weist das Eintrittsstellelement bevorzugt ein Leitgitter auf, dessen Leitgitterteile verstellbar sind, um somit der Strömung der Luft je nach Stellung der Leitgitterteile unterschiedliche Strömungsformen, d. h. beispielsweise den Mitdrall oder den Gegendrall aufzuprägen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Radeeintrittsvariabilität und wenigstens eine der Radaustrittsvariabilitäten über eine Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt sind. Dadurch können die Radeintrittsvariabilität und die wenigstens eine Radaustrittsvariabilität mittels lediglich eines gemeinsamen Stellglieds verstellt bzw. bewegt werden. Dies hält die Kosten, das Gewicht und den Bauraumbedarf des erfindungsgemäßen Verdichters gering.
Das Stellglied ist beispielsweise ein pneumatisches, hydraulisches oder elektrisches Stellglied und ermöglicht die schnelle Verstellung der Radeintrittsvariabilität und der wenigstens einen Radaustrittsvariabilität.
Durch eine entsprechende Übersetzungseinrichtung, beispielsweise ein Getriebe, ist es möglich, dass die Radeintrittsvariabilität und die wenigstens eine Radaustrittsvariabilität, welche miteinander über die Kopplungseinrichtung gekoppelt sind, trotz der Kopplung über unterschiedliche Verstellwege bewegt werden können. Dadurch ist eine vorteilhafte Anpassung des Verdichters an unterschiedliche Betriebspunkte gewährleistet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 Zeichnung zeigt in:
1 eine Prinzipdarstellung einer als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, mit einem Abgasturbolader, welcher einen Verdichter aufweist, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine mit verdichteter Luft versorgbar ist, wobei in einem Radaustrittsbereich stromab eines Verdichterrads des Verdichters ein Stellelement vorgesehen ist, mittels welchem eine Radaustrittsfläche variabel einstellbar ist;
2 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen dem Reaktionsgrad eines Verdichters eines Abgasturboladers gemäß 1 und dem Quotienten aus der Radaustrittsfläche und einer Radeintrittsfläche stromauf des Verdichterrads;
3 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Zusammenhangs zwischen dem Quotienten der Radaustrittsfläche zur Radeintrittsfläche und der Verstellung des Stellelements;
4a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform des Verdichters gemäß 1 mit jeweiligen Stellungen des Stellelements;
5a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdichters gemäß den 4a–c;
6a–c jeweils ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer werteren Ausführungsform des Verdichters gemäß den 5a–c;
7a–c jeweils eine schematische Querschnittansicht des Verdichters gemäß den
6a–c mit jeweiligen Stellungen eines stromab des Verdichterrads angeordneten, weiteren Stellelements;
8 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Einflusses der Gestaltung eines Abströmbereichs einer Abströmkante des Verdichterrads auf die Strömungsbedingungen für die Luft;
9 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine gemäß 1;
10 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdichters gemäß den 4a–c;
11 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Verdichters gemäß 10;
12 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht des Verdichters gemäß 10 mit der Darstellung von Geschwindigkeitsdreiecken am Eintritt und am Austritt des Verdichterrads;
13 eine Verdichterkennfeldmatrix; und
14 ein Verstelldiagramm eines Verdichters gemäß den 9 bis 12 zur Veranschaulichung der Verstellung des Stellelements stromab des Verdichterrads sowie eines Eintrittsstellelements stromauf des Verdichterrads.
Die 1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, welche als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist und vorliegend sechs Zylinder 12 umfasst. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Kurbelwelle 14, über welche ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitgestelltes Motormoment abführbar ist.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst einen Abgastrakt 16, in welchem eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 20 angeordnet ist. Mittels einer Abgasverrohrung des Abgastrakts 16 ist Abgas von den Zylindern 12 zur Turbine 18 leitbar. Die Turbine 18 umfasst ein Turbinenrad 22, welches von dem Abgas antreibbar ist. Das Abgas strömt das Turbinenrad 22 mit einem Druck und einer Temperatur an und wird mittels des Turbinenrads 22 entspannt.
Anschließend strömt das Abgas zu einer stromab der Turbine 18 angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtung 24, mittels welcher das Abgas gereinigt wird. Anschließend strömt das Abgas an die Umgebung.
Die Turbine 18 umfasst eine variable Turbinengeometrie 26, beispielsweise in Form eines Zungenschiebers. Mittels der variablen Turbinengeometrie 26 kann die Turbine 18 an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit an unterschiedliche Massen- bzw. Volumenströme des Abgases bedarfsgerecht angepasst werden. Dies führt zu einem effizienten Betrieb der Turbine 18, was einem effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zugute kommt.
Der Abgasturbolader 20 umfasst auch einen Verdichter 28, welcher in einem Ansaugtrakt 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Über den Ansaugtrakt 30 wird der Verbrennungskraftmaschine 10 Luft zugeführt.
Stromauf des Verdichters 28 ist ein Luftfilter 32 im Ansaugtrakt 30 angeordnet, mittels welchem die Luft gereinigt wird. Stromab des Luftfilters 32 strömt die Luft zu einem Verdichterrad 34 des Verdichters 28, mittels welchem die Luft verdichtet wird.
Zum Antreiben des Verdichterrads 34 ist dieses mit einer Welle 37 des Abgasturboladers 20 drehfest verbunden. Mit der Welle 37 ist auch des Turbinenrad 22 drehfest verbunden, so dass das Verdichterrad 34 über die Welle 37 von dem Turbinenrad 22 angetrieben werden kann.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Zur Darstellung eines besonders hohen Aufladegrads ist im Ansaugtrakt 30 stromab des Verdichters 28 ein Ladeluftkühler 36 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.
Stromab des Ladeluftkühlers 36 ist im Ansaugtrakt 30 eine Drosselklappe 38 angeordnet, mittels welcher die in die Zylinder 12 einströmende Luftmasse einstellbar ist. Dadurch kann das von der Verbrennungskraftmaschine 10 bereitzustellende Motormoment eingestellt werden. Der Ansaugtrakt 30 umfasst ferner einen Ladeluftverteiler 40, mittels welchem die verdichtete Luft auf die Zylinder 12 aufgeteilt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist auch eine Abgasrückführeinrichtung 42 mit einer Abgasrückführleitung 44, einem Abgasrückführventil 46 und einem Abgasrückführkühler 48 auf. Die Abgasrückführleitung 44 ist an einer Abzweigstelle 50 mit dem Abgastrakt 16 fluidisch verbunden. Die Abgasrückführleitung 44 ist ferner an einer Einleitstelle 52 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 30 verbunden. Somit kann Abgas an der Abzweigstelle 50 aus dem Abgastrakt 16 abgezweigt, zum Ansaugtrakt 30 rückgeführt und an der Einleitstelle 52 in den Ansaugtrakt 30 eingeleitet werden.
An der Einleitstelle 52 vermischt sich das Abgas mit der Luft und strömt mit der Luft in den Zylinder 12 ein. Dort nimmt das Abgas an Verbrennungsvorgängen teil und wirkt als Inertgas, wodurch sich Stickoxid- und Partikelemissionen der Verbrennungskraftmaschine 10 gering halten lassen.
Das Abgasrückführventil 46 dient zur Einstellung der Masse bzw. Menge des rückzuführenden Abgases. Der Abgasrückführkühler 48 dient zur Kühlung des rückgeführten Abgases.
Wie in Zusammenschau mit den 4a bis 14 erkennbar ist, umfasst der Verdichter 28 ein Verdichtergehäuse 54, welches einen Aufnahmeraum 56 aufweist. In dem Aufnahmeraum 56 ist das Verdichterrad 34 um eine Drehachse 58 relativ zum Verdichtergehäuse 54 drehbar aufgenommen. Das Verdichtergehäuse 54 weist einen Abführkanal 60 auf, über welchem das Verdichterrad 34 abströmende Luft von dem Verdichterrad 34 abgeführt wird. Der Abführkanal 60 ist fluidisch mit einem Spiralkanal 55 des Verdichtergehäuses 54 verbunden, so dass die den Abführkanal 60 durchströmende Luft in den Spiralkanal 55 abströmen kann.
Das Verdichterrad 34 wird dabei in einem Abströmbereich 62 einer Laufradschaufel 64 des Verdichterrads 34 von der Luft abgeströmt. Die Laufradschaufel 64 ist mit einer Laufradnabe 66 verbunden. In den entsprechenden Darstellungen ist lediglich die eine Laufradschaufel 64 erkennbar. Es versteht sich, dass das Verdichterrad 34 eine Mehrzahl von Laufradschaufeln umfasst, welche in Umfangsrichtung der Laufradnabe 66 über deren Umfang angeordnet und mit der Laufradnabe 66 verbunden sind. Die Laufradschaufeln umfassen dabei entsprechend der Laufradschaufel 64 allesamt einen jeweiligen Abströmbereich wie den Abströmbereich 62, so dass des bisher und im Folgenden zum Abströmbereich 62 und der Laufradschaufel 64 Geschilderte analog auf die anderen Laufradschaufeln des Verdichterrads 34 übertragbar ist.
In dem Abströmbereich 62 ist nun eine erste Abströmkante 68 sowie eine sich an die erste Abströmkante 68 anschließende und mit der ersten Abströmkante 68 einen von 180° unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante 70 der Laufradschaufel 64 vorgesehen. Die Abströmkanten 68, 70 sind vorliegend jeweils zumindest im Wesentlichen gerade bzw. eben ausgebildet und schließen einen Winkel miteinander ein, welcher größer als 90° und kleiner als 180° ist. Ferner verläuft die erste Abströmkante 68 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung, während die zweite Abströmkante 70 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verläuft.
Mittels der ersten Abströmkante 68 ist eine erste Radaustrittsfläche A2_FG bereitgestellt, über welche die Luft von dem Verdichterrad 34 abströmt. Mittels der zweiten Abströmkante 70 ist eine zweite Radaustrittsfläche A2_vario bereitgestellt, über welche das Verdichterrad 34 von der Luft abgeströmt werden kann. Zusammengefasst wird das Verdichterrad 34 über eine Gesamtradaustrittsfläche A2 von der Luft abgeströmt.
Angeströmt wird das Verdichterrad 34 über eine Anströmkante 72, welche eine Radeintrittsfläche A1, über die das Verdichterrad 34 von der Luft angeströmt wird, bereitstellt. Die Radeintrittsfläche A1 wird auch als Radeintrittsquerschnitt bezeichnet, während die Gesamtradaustrittsfläche A2 auch als Radaustrittsquerschnitt bezeichnet wird.
Der Verdichter 28 umfasst auch ein erstes Austrittsstellelement 74, welches relativ zum Verdichtergehäuse 54 bewegbar ist. Das erste Austrittsstellelement 74 ist dabei zumindest zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar. In der Offenstellung ist die zweite Abströmkante 70 vollständig freigegeben, so dass über sie das Verdichterrad 34 von der Luft abgeströmt werden kann. In der Schließstellung ist die zweite Abströmkante 70 bezogen auf die radiale Richtung des Verdichters 28 mittels des ersten Austrittsstellelements 74 nach außen hin überdeckt und so fluidisch zumindest im Wesentlichen versperrt, so dass die Luft nicht mehr über die zweite Abströmkante 70 das Verdichterrad 34 abströmen kann.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch eine Regelungseinrichtung 25, mittels welcher die Drosselklappe 38, die variable Turbinengeometrie 26 sowie das erste Austrittsstellelement 74 geregelt werden.
Daraus ist es ersichtlich, dass mittels des ersten Austrittsstellelements 74 der Radaustrittsquerschnitt (Gesamtradaustrittsfläche A2) variabel einstellbar ist. Daraus ergeben sich unterschiedliche Verhältnisse bzw. Quotienten aus dem Radaustrittsquerschnitt zu dem Radeintrittsquerschnitt.
Die 2 zeigt Diagramme 76a–d, auf deren ersten Abszissen 78 der Massenstrom der Luft durch den Verdichter 28 aufgetragen ist. Auf den ersten Ordinaten 80 ist der Reaktionsgrad des Verdichters 28 dargestellt. Das Diagramm 76a bezieht sich dabei auf ein Verhältnis A2/A1 von 1,41. Das Diagramm 76b bezieht sich auf ein Verhältnis A2/A1 von 1,34. Das Diagramm 76c bezieht sich auf ein Verhältnis A2/A1 von 1,15. Das Diagramm 76d bezieht sich auf ein Verhältnis A2/A1 von 0,91. Dabei ist es ersichtlich, den Radaustrittsquerschnitt in der Schließstellung des ersten Austrittsstellelements 74 auf hohe Reaktionsgrade bzw. auf ein Verhältnis bzw. auf einen Quotienten A2/A1 mit Werten von deutlich unterhalb 1 auszulegen und in der Offenstellung weiterhin kleiner als 1 oder gleich oder größer als 1 einzustellen.
Hierdurch kann in weiten Kennfeldbereichen des Kennfelds des Verdichters 28 eine mittlere Beschleunigung der Strömung der Luft im Radkanal zwischen Laufradschaufeln des Verdichterrads 34 des insbesondere als Radialverdichter ausgebildeten Verdichters 28 unter Nutzung des Fliehkraftfeldes gewährleistet werden, wodurch günstige Bedingungen für die Dämpfung der Verdichterpumpneigung auch bei relativ großen Fehlanströmungen am Eintritt des Verdichterrads 34, besonders in der Schließstellung, erreicht werden können. Bei hohen Reaktionsgraden im Bereich von 0,7 und größer erhält man im Radkanal zunehmend eine vorteilhafte mittlere Beschleunigung der Strömung der Luft.
Die 3 zeigt ein zweites Diagramm 82, auf dessen zweiter Abszisse 84 ein erster Parameter sx, der den Verstellbereich des ersten Austrittsstellelements 74 charakterisiert, aufgetragen ist. Der Verstellbereich wird dabei einerseits durch die mit 0 gekennzeichnete Schließstellung und andererseits durch die mit sx_max bezeichnete Offenstellung begrenzt.
Auf der zweiten Ordinate 86 des zweiten Diagramms 82 ist das Verhältnis bzw. der Quotient A2/A1 aufgetragen. Durch entsprechende Verstellung des ersten Austrittsstellelements 74 steigt der Reaktionsgrad, wie es durch einen Richtungspfeil 88 angedeutet ist. Ein erster Bereich A kennzeichnet amen Auslegungsschwerpunkt für das Verhältnis A2/A1, welches vorteilhafterweise kleiner als 1,2 beträgt. Hierbei ist eine weitgehende Beschleunigung im Radkanal bevorzugt.
Die 4a zeigt das erste Austrittsstellelement 74 in seiner Schließstellung. Die 4b zeigt das erste Austrittsstellelement 74 in einer Mittelstellung, während die 4c das erste Austrittsstellelement 74 in seiner Offenstellung zeigt. Bevorzugt ist das erste Austrittsstellelement 74 zumindest im Wesentlichen stufenlos bzw. kontinuierlich oder in mehreren Stufen zwischen der Schließstellung und der Offenstellung verstellbar bzw. einstellbar und kann auch die Offenstellung und die Schließstellung einnehmen.
Da durch Bewegen bzw. Verstellen des ersten Austrittsstellelements 74 die zweite Abströmkante 70 beeinflusst, d. h. variiert wird, wird die zweite Abströmkante 70 auch als Vario-Kante bezeichnet. Dementsprechend wird das erste Austrittsstellelement 74 auch als Varioschieber bezeichnet. Wie den 4a–c zu entnehmen ist, ist dabei der Varioschieber zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung relativ zum Verdichtergehäuse 54 verschiebbar.
Wie den 4a–c ferner zu entnehmen ist, ist die Vario-Kante zumindest im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet. Dazu korrespondierend weist der Varioschieber einen ebenfalls zumindest im Wesentlichen kegelförmig ausgebildeten Wandungsbereich 90 auf, welcher zumindest im Wesentlichen parallel zur Vario-Kante verläuft Dadurch kann die Vario-Kante insbesondere in der Schließstellung besonders effizient überdeckt und so fluidisch versperrt werden.
Das Verdichtergehäuse 54 umfasst eine Wandung 92, welche sich in radialer Richtung des Verdichters 28 bzw. des Verdichterrads 34 nach außen hin an den Varioschieber anschließt. Bezogen auf die in der 4a gezeigten Schließstellung ist die Wandung 92 in axialer Richtung bezüglich des ersten Austrittsstellelements 74 (Varioschieber) zurückversetzt. Dadurch ist im Zusammenwirken mit anderweitigen festen Wandungsbereichen des Verdichtergehäuses 54 ein Diffusor, insbesondere ein Carnot-Diffusor, zum Entspannen und damit zum Beschleunigen der Luft dargestellt. Wie zu erkennen ist, verläuft die Wandung 92 in einem den Abführkanal 60 einerseits begrenzenden Bereich zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung und ist gerade bzw. eben ausgebildet.
Bei dem Verdichter 28 ist ein besonders geringer Quotient A2/A1 dargestellt. Wie ferner zu erkennen ist, ist in der Schließstellung des ersten Austrittsstellelements 74 lediglich die erste Abströmkante 68 fluidisch freigegeben, so dass die Luft das Verdichterrad 34 in der Schließstellung lediglich über die erste Abströmkante 68 abströmen kann. Da die erste Abströmkante 68 bzw. die ihr zugeordnete zweite Radaustrittsfläche A2_vario nicht mittels des ersten Austrittsstellelements 74 beeinflussbar ist, wird die erste Abströmkante 68 auch als Festgeometrie-Kante bezeichnet.
Die radiale Erstreckung der vorliegend konischen zweiten Abströmkante 70 kann von den Darstellungen in den 4a bis 14 abweichen und je nach angestrebter Durchsatzspreizung und Leistungscharakteristik des Verdichters 28 auch einen deutlich größeren Anteil des Radaustrittsquerschnitts ausmachen.
Des Weiteren kann die Variokantenlänge S_V der Vario-Kante gegenüber der Festgeometrie-Kantenlänge S_FG der Festgeometrie-Kante einen weitaus größeren Anteil ausmachen, als es in den 4a bis 14 dargestellt ist. Ein Verhältnis S_VIS_FG kann dabei größer als 0,5 oder größer als 0,8 sein, je nach Anwendungsfall.
Die 5a–c zeigen eine weitere Ausführungsform des Verdichters 28 gemäß den 4a–c. Dabei ist im Abführkanal 60 ein Doppel-Diffusor dargestellt, welcher einen Haupt-Diffusor 94 und einen Zuschalt-Diffusor 96 umfasst. Zu diesem Zweck ist ein Trennelement 98 vorgesehen, mittels welchem der Abführkanal 60 in einen ersten Teilkanal 100 auf Seiten des ersten Austrittsstellelements 74 sowie einen zweiten Teilkanal 102 unterteilt ist. Durch den ersten Teilkanal 100 ist dabei der Zuschalt-Diffusor 96 gebildet, während durch den zweiten Teilkanal 102 der Haupt-Diffusor 94 gebildet ist. Das Trennelement 98 ist dabei über einen Steg 104 mit festen Wandungsbereichen des Verdichtergehäuses 54 verbunden und dadurch im Abführkanal 60 gehalten.
Wie den 5a–c zu entnehmen ist, ist der Zuschalt-Diffusor 96 der Variokante zugeordnet. Entsprechend dazu ist der Haupt-Diffusor 94 der Festgeometrie-Kante zugeordnet. Dies bedeutet, dass die das Verdichterrad 34 über die erste Abströmkante 68 abströmende Luft den Haupt-Diffusor 94 durchströmt. Ist die zweite Abströmkante 70 zumindest teilweise fluidisch freigegeben, so strömt die das Verdichterrad 34 über die zweite Abströmkante 70 abströmende Luft durch den Zuschalt-Diffusor 96.
Das erste Eintrittsstellelement 74 weist einen sich an den Wandungsbereich 90 anschließenden weiteren Wandungsbereich 106 auf, welcher abweichend von der radialen Richtung schräg zur radialen Richtung sowie schräg zur axialen Richtung verläuft und mit dem Wandungsbereich 90 einen von 180° kleineren Winkel einschließt.
Das Trennelement 98 weist einen mit dem weiteren Wandungsbereich 106 des ersten Eintrittsstellelements 74 korrespondierenden dritten Wandungsbereich 108 auf. Dies bedeutet, dass die Wandungsbereiche 106, 108 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, so dass eine vorteilhafte fluidische Versperrung der zweiten Abströmkante 70 in der Schließstellung ermöglicht ist.
in der Schließstellung wird auch der Zuschalt-Diffusor 96 fluidisch versperrt. Durch Verstellen bzw. Bewegen des Varioschiebers kann auch der Zuschalt-Diffusor 96 hinsichtlich seines von der Luft durchströmbaren Querschnitts variabel eingestellt werden. Die Schließstellung des ersten Austrittsstellelements 74 korrespondiert mit einem niedrigen Durchsatzbereich des Verdichters 28, während die Offenstellung mit einem demgegenüber hohen Durchsatzbereich korrespondiert. Bezogen darauf korrespondiert die Mittelstellung mit einem mittleren Durchsatzbereich des Verdichters 28.
Die 6a–c zeigen eine weitere Ausführungsform des Verdichters 28. Der Verdichter 28 gemäß den 6a–c umfasst ein zweites Austrittsstellelement 75, mittels welchem der Radaustrittsquerschnitt variabel einstellbar ist. Das zweite Austrittsstellelement 75 ist dem Haupt-Diffusor 94 zugeordnet, so dass der Haupt-Diffusor 94 hinsichtlich seines Strömungsquerschnitts mittels des zweiten Austrittsstellelements variabel einstellbar ist. Auch das zweite Austrittsstellelement 75 kann mittels der Regelungseinrichtung 25 geregelt werden.
Wie in Zusammenschau mit den 7a–d erkennbar ist, ist das zweite Austrittsstellelement 75 beispielsweise als Zungenschieber ausgebildet und um die Drehachse 58 drehbar. Der Zungenschieber ist zwischen einer Versperrstellung und einer Freigabestellung verdrehbar. In der Versperrstellung ist der Haupt-Diffusor 94 fluidisch versperrt, so dass er nicht mehr von Luft durchströmt werden kann. In der Freigabestellung ist der Haupt-Diffusor 94 vollständig bzw. maximal freigegeben und kann von Luft durchströmt werden. Der Zungenschieber kann auch in wenigstens eine Stellung zwischen der Versperrstellung und der Freigabestellung gedreht werden. Vorzugsweise kann der Zungenschieber zumindest im Wesentlichen kontinuierlich bzw. stufenlos oder in mehreren Stufen zwischen der Freigabestellung und der Versperrstellung verdreht werden, um somit den Haupt-Diffusor 94 hinsichtlich seines Strömungsquerschnitts variieren zu können. Durch die Verwendung des Varioschiebers sowie des Zungenschiebers ist es möglich, den Zuschalt-Diffusor 96 und den Haupt-Diffusor 94 unabhängig voneinander hinsichtlich ihrer jeweiligen Strömungsquerschnitte einzustellen. So kann der Verdichter 28 besonders variabel an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden.
Die 7a zeigt den Zungenschieber in seiner Freigabestellung, während die 7d den Zungenschieber in seiner Versperrstellung zeigt. Anhand der 7b und 7c sind Zwischenstellungen gezeigt, in denen der Haupt-Diffusor 94 gegenüber der Versperrstellung freigegeben, jedoch gegenüber der Freigabestellung verengt ist.
Die 8 zeigt anhand eines dritten Diagramms 110 den Zusammenhang zwischen einem Schaufelaustrittswinkel β_2s, der auf der dritten Ordinate 112 des Diagramms 110 aufgetragen ist, und einer auf der dritten Abszisse 114 des Diagramms 110 aufgetragenen Kantenlänge s_K. Die Kantenlänge s_K bezieht sich auf die Variokantenlänge S_V sowie auf die Festgeometrie-Kantenlänge S_FG. Beträgt der Schaufelaustrittswinkel β_2s 90°, so handelt es sich um eine radial stehende Beschaufelung des Verdichterrads 34. Beträgt der Schaufelaustrittswinkel β_2s weniger als 90°, so handelt es sich um eine rückwärts gekrümmte Beschaufelung. Dadurch ergibt sich die spezifische Arbeit au des Verdichters 28 nach Euler wie folgt: a_u = u₂·c_u2 = const.
Dies bedeutet, dass der Euler-Austrittsterm konstant ist. Mit u₂ ist dabei die Umfangsgeschwindigkeit bezeichnet, welche sich wie folgt ergibt: u₂ = R_2(sk)·ω.
Mit R_2(sk) ist dabei der Radius der Laufradschaufel 64 im Abströmbereich 62, d. h. der entsprechende Radius der Abströmkanten 68, 70 bezeichnet. Da sich die erste Abströmkante 68 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung erstreckt, ist ihr Radius bezogen auf die Drehachse 58 konstant. Da die zweite Abströmkante 70 schräg zur axialen Richtung und schräg zur radialen Richtung verläuft, ist ihr Radius bezogen auf die Drehachse 58 variabel. Aus den geschilderten Zusammenhängen ergibt sich, dass die Komponente der absoluten Austrittsströmungsgeschwindigkeit in Umfangsrichtung c_u2 eine Funktion von der Kantenlänge s_K ist, also von dieser abhängt. Durch R₂ ist somit der Ausströmdurchmesser des Verdichterrades 34 charakterisiert. Da aufgrund der konischen Gestaltung der Variokante der Ausströmdurchmesser des Verdichterrades 34 sich längs der Variokante ändert, wird in dem dargestellten Beispiel das Defizit des Ausströmdurchmessers R₂ der konischen Variokante gegenüber der Festgeometrie-Kante über den angepassten Verlauf des Schaufelaustrittswinkels β_2s kompensiert.
Wie dem dritten Diagramm 110 zu entnehmen ist, erfolgt die Orientierung der Variokante mit abnehmendem Ausströmdurchmesser R₂ zu größeren Werten des Schaufelaustrittswinkels β_2s, bezogen zur Anfangsrichtung. Die Festgeometrie-Kante wird im Beispiel auf eine relativ große Rückwärtskrümmung (also relativ kleinen Schaufelaustrittswinkeln β_2s) festgelegt.
Neben der geschilderten Auslegung der Variokante auf a_u = const kann bei bestimmten Anforderungen an den Verdichter 28 auch ein konstanter Schaufelaustrittswinkel β_2s längs der gesamten Variokante gewünscht sein. Hierbei ist es von Vorteil, mit Öffnen des Radaustrittsquerschnitts zusammen mit der Gesamtaustrittsflächenvergrößerung die mittlere spezifische Leistung a_u bzw. das Verdichterdruckverhältnis bei gleicher Verdichterdrehzahl bewusst abzusenken.
Die 9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10, bei welcher der Verdichter 28 ein Eintrittsstellelement 116 umfasst. Mittels des Eintrittsstellelements 116 sind Strömungsbedingungen des Verdichters 28 für die das Verdichterrad 34 anströmende Luft stromauf des Verdichterrads 34 variabel einstellbar. Die Beeinflussung der Luft mittels des Eintrittsstellelements 116 wird im Folgenden mittels eines zweiten Parameters ε charakterisiert.
Bei dem Verdichter 28 gemäß 9 ist es somit möglich, den Verdichter 28 sowohl stromab des Verdichterrades 34 mittels des ersten Austrittsstellelements 74 und gegebenenfalls mittels des zweiten Austrittsstellelements 75 sowie stromauf des Verdichterrades 34 mittels des Eintrittsstellelements 116 an unterschiedliche Betriebspunkte anzupassen. Dabei stellen ε den zweiten Parameter und sx den ersten Parameter dar, welche die Einstellung des Verdichters 28 und damit die Beeinflussung der Strömung der Luft charakterisieren. Hinsichtlich der Beeinflussung der spezifischen Leistung a_u des Verdichters 28 und somit dem erzielbaren Verdichterdruckverhältnis wirken die Parameter sx und ε auf die Durchsatzcharakteristik über die maßgebenden Strömungsflächen (Radeintrittsquerschnitt und Radaustrittsquerschnitt) und auf die daran gekoppelten Drallgeschwindigkeitskomponenten in Form der Austrittsdrallgeschwindigkeitskomponente Cu2 und der Eintrittsdrallgeschwindigkeitskomponente Cu1 ein. Der Einfachheit halber wird die Austrittsdrallgeschwindigkeitskomponente Cu2 als Austrittsdrall bezeichnet, während die Eintrittsdrallgeschwindigkeitskomponente Cu1 als Eintrittsdrall bezeichnet wird.
Mit anderen Worten ist es beim Verdichter 28 der 9 möglich, den Verdichter 28 sowohl an seinem Eintritt, d. h. stromauf des Verdichterrades 34, als auch an seinem Austritt, d. h. stromab des Verdichterrads 34, über die Parameter sx und ε zu regeln. Zur Regelung des Eintrittsstellelements 116 ist ebenso die Regelungseinrichtung 25 der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgesehen.
Zum Verstellen des ersten Austrittsstellelements 74, des Eintrittsstellelements 16 sowie des gegebenenfalls vorhandenen zweiten Austrittsstellelements 75 ist beispielsweise ein jeweiliger Aktor vorgesehen, der hier beispielsweise elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch ist. Die jeweiligen Aktoren können dabei in gegenseitiger Abhängigkeit oder vollständig autark voneinander Signale der Regelungseinrichtung 25 in Erzeugung eines gewünschten Verhaltens des Verdichters 28 umsetzen.
Vorteilhafterweise sind das Eintrittsstellelement 116 und zumindest eine der Austrittsstellelemente 74, 75 mittels einer geeigneten Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt und können über die Kopplungseinrichtung mittels eines gemeinsamen Aktors angetrieben werden. So ist zum Antreiben lediglich ein Aktor vorgesehen und vonnöten, was die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Verbrennungskraftmaschine 10 gering hält.
Die Kopplung kann über mechanische Elemente wie beispielsweise Kulissen- und Federsysteme und/oder anderweitige Kopplungselemente erfolgen, welche translatorische (axiale) und rotatorische (drehende) Bewegungen ausführen und gewünschte Zuordnungen von translatorischen Verstellwegen und rotatorischen Winkeln zur Realisierung eines angestrebten Verdichterverhaltens unter Verwendung des einzigen Aktors bewältigen.
Die 10 zeigt eine Ausführungsform des Verdichters 28, bei welcher das Eintrittsstellelement 116 als Eintrittsdrall-Erzeugervorliegend in Form eines variablen Vordrallgitters ausgebildet ist. Das Vordrallgitter umfasst Leitschaufeln 118, welche um eine zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufende, jeweilige zweite Drehachse 120 relativ zum Verdichtergehäuse 54 drehbar sind. Es versteht sich, dass das Vordrallgitter eine Mehrzahl von Leitschaufeln umfasst, welche um jeweilige zweite Drehachsen relativ zu dem Verdichtergehäuse 54 drehbar sind. Dadurch ist ein drehbarer Vorleitschaufelverband in axialer Bauart und in Gitterform dargestellt, welcher einen Strömungseintrittswinkel, welcher sich häufig nahe an der axialen Zuströmungsrichtung befindet, durch die Gitterströmung und eine Drallströmung mit einem Ablenkungswinkel zur axialen Richtung verändert. Der Ablenkungswinkel wird dabei durch den zweiten Parameter ε charakterisiert. Mit anderen Worten charakterisiert der zweite Parameter ε den Winkel, um welchen die Strömung bezogen auf ihren Zustand stromauf des Eintrittsstellelements 116 mittels der Leitschaufel 118 abgelenkt wird, um so einen Eintrittsdrall zu erzeugen.
Das auch als Vorleitgitter bezeichnete Vordrallgitter ist in der Lage, einen Mitdrall wie auch einen Gegendrall bezogen auf die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit an der Anströmkante 72 zu erzeugen, wodurch sich der Eintrittsdrall (Eintrittsdrallgeschwindigkeitskomponente Cu1) mit dem entsprechenden Vorzeichen bei dem betreffenden Verdichterdurchsatzpunkt einstellt.
Nach dem Eintritt der Luft in den Radkanal des Verdichterrades 34 erfolgt auf dem Weg zum Radaustritt eine Beschleunigung oder Verzögerung, je nach dessen Gestaltung und der Position der Radaustrittsvariabilität.
Der Axialschieber umfasst beispielsweise einen axial verschiebbaren Ring, der in der Schließstellung die Variokante unter Beibehaltung eines Funktionsspalts zwischen der Laufradschaufel 64 und dem Axialschieber abdeckt und beim öffnen die Variokante für die Strömung der Luft im Relativsystem freigibt.
Beim Öffnen des Axialschiebers wird eine erste Diffusorwandung 122 des Axialschiebers, die den Abführkanal 60 begrenzt, im Absolutsystem ebenfalls relativ zu einer feststehenden, zweiten Diffusorwandung 124 des Verdichtergehäuses 54 geöffnet. Vorteilhafterweise wird dann die Diffusorlänge des axial durch Bewegen des Axialschiebers variablen Diffusors für die Schließstellung wirkungsgradgünstig ausgewählt, wobei für die Diffusorlänge der nachgeschaltete Carnot-Diffusor berücksichtigt wird. Die Wirkung des Carnot-Diffusors wird mit der Öffnung des Axialschiebers abgeschwächt und kann in der Offenstellung vollständig aufgehoben werden, wenn die Wandung 92 und der Axialschieber in der Schließstellung desselbigen zumindest im Wesentlichen bündig zueinander sind und der Carnot-Querschnittsprung den Wert von zumindest im Wesentlichen 0 annimmt.
Das Eintrittsstellelement 116 gemäß 11 umfasst eine drehbare Klappe 126 sowie ein fest mit dem Verdichtergehäuse 54 verbundenes Vordrallgitter 128 mit Gitterschaufeln 130. Durch das Vordrallgitter 128 ist ein erster Zuströmkanal 132 von einem zweiten Zuströmkanal 134 unterteilt, über die das Verdichterrad 34 von der Luft angeströmt werden kann. Die Gitterschaufeln 130 sind dabei im zweiten Zuströmkanal 134 angeordnet und erzeugen den Vordrall. Die Intensität bzw. der Durchsatzanteil mit hohem Eintrittsdrall über den zweiten Zuströmkanal 134 wird durch Drehung der Klappe 126 bewirkt, welche den ersten Zuströmkanal 132 versperren oder demgegenüber freigeben kann. Mittels der Klappe 126 ist somit die den ersten Zuströmkanal 132 durchströmende, zumindest nahezu drallfreie jedoch gestörte Strömung der Luft einstellbar. Bei vollständig geschlossener Klappe 126, welche auch als Drosselklappe bezeichnet wird, strömt demnach die gesamte Luft durch das Vordrallgitter 128 mit den Gitterschaufeln 130, das mit einem höchsten Eintrittsdrall einhergeht.
Die 12 zeigt die Wirkungen der Radeintrittsvariabilität und Radaustrittsvariabilitäten hinsichtlich des Mitdralls (ε > 0) und des Gegendralls (ε < 0) am Radeintritt und am verengten Radaustritt bei sx = 0 und bei geöffnetem Radaustritt sx = sx max auf die Strömungsverhältnisse anhand eines Austrittsgeschwindigkeitsdreiecks 136 und eines Eintrittsgeschwindigkeitsdreiecks 138. In den Geschwindigkeitsdreiecken 136, 138 gleichen Durchsatzes sind besonders die Veränderungen der Eintrittsdrallgeschwindigkeitskomponenten Cu1, Cu1' und der Austrittsdrallgeschwindigkeitskomponenten Cu2 und Cu2' (Drallkomponenten) bei den entsprechenden Umfangsgeschwindigkeiten U1, U1', U2 und U2' bemerkenswert, die direkt über die Euler'sche Maschinengleichung ein Indiz für die erreichbaren Druckverhältnisse liefert. Ebenso lassen sich für die Anwendungsbereiche vorteilhafte Kombinationen zwischen den Radeintritts- und Radaustrittsvariabilitäten, die die Durchsatzcharakteristik und die Verknüpfung zu den spezifischen Leistungen betreffen, grob identifizieren.
Die 13 zeigt ein Verdichterkennfeld 140 aus dem zweiten Parameter ε und dessen Einfluss auf den Eintrittsdrall und aus der Verstellung der Radaustrittsvariabilität (erstes Austrittsstellelement 74) in dessen Verstellbereich und die damit einhergehende Beeinflussung des Austrittsdralls.
In Reihen 142 liegen dabei jeweilige konstante Werte für sx vor, während in Spalten 144 jeweils konstante Werte für ε vorliegen. Bei konstanter Stellung der Radaustrittsvariabilität und Variation der Radeintrittsvariabilität kann die Wirkung der Radeintrittsvariabilität auf das Verdichtverhalten ermittelt werden und umgekehrt. Gemäß 13 werden neben der drallfreien Zuströmung jeweils zwei Kennfelder, mit Mitdrall und Gegendrall aufweisen, bei konstanter Stellung der Radaustrittsvariabilität betrachtet. Die Stellung der Radaustrittsvariabilität wird dann für jede Serie von ε von sx = 0 bis sx = sx3 verändert, wobei sx3 die Schließstellung bezeichnet, welche durch sx max charakterisiert ist. In der Folge ergeben sich vorliegend 20 gemessene, elektronisch hinterlegbare Verdichterkennfelder des Verdichters 28 für die Interpolationen der Simulationsberechnungen und z. B. für Regelungsuntersuchungen.
Ist der Verdichter 28 mit zwei unabhängig voneinander regelbaren Aktoren zur jeweiligen Verstellung der Radeintrittsvariabilität und der Radaustrittavariabilität versehen, sind die Radeintrittsvariabilität und die Radaustrittsvariabilität für die betroffene Betriebsweise optimal miteinander kombinierbar, was eine entsprechende Regelung erfordert. Zur Darstellung einer entsprechenden Regelung werden Simulationsverfahren mit Hilfe von Motorversuchen bei vorher vermessenen Verdichterkennfeldern durchgeführt, um das gewünschte Verhalten der Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem Verdichter 28 zu verifizieren.
Die Verwendung lediglich eines Aktors sowohl zum Verstellen der Radeintrittsvariabilität als auch zum Verstellen der Radaustrittsvariabilität hält auch den Regelungsaufwand gering. Einen Kompromiss der Kopplungswege und Kopplungswinkel der Radeintrittsvariabilität und der Radaustrittsvariabilität kann aus dem gemessenen Kennfeldreservoir des Verdichters 28 im Zusammenspiel mit der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet werden. Dementsprechend zeigt die 14 ein zweidimensionales Diagramm 146, auf dessen vierter Abszisse 148 der die Verstellung der Radeintrittsvariabilität charakterisierende zweite Parameter ε und auf dessen vierter Ordinate 150 der die Verstellung der Radaustrittsvariabilität charakterisierende erste Parameter sx aufgetragen sind. Anhand des zweidimensionalen Diagramms 146 sind Bereiche wesentlicher Einstellungskombinationen ersichtlich. Ein zweiter Bereich B kennzeichnet beispielsweise die Punktgrenze bei relativ hohen Drehzahlen. Ein dritter Bereich C kennzeichnet einen zumindest im Wesentlichen wirkungsgradoptimalen Verdichterbetriebsbereich bei Cu1 zumindest im Wesentlichen 0 und sx zumindest im Wesentlichen 0. Ein vierter Bereich D kennzeichnet einen hohen Durchsatzbereich, in welchem die maximalen Verdichterdrehzahlen gedrückt werden, z. B. für das Höhenverhalten oder für eine Durchsatzkapazitätenaufweitung des Hochdruck-Verdichters einer zweistufigen Aufladung.
In dem zweidimensionalen Diagramm 146 ist auch eine gestrichelte Linie 152 erkennbar, welche eine feste Kopplung der Radeintrittsvariabilität mit der Radaustrittsvariabilität über eine geeignete Kopplungseinrichtung charakterisiert. Die anhand der gestrichelten Linie 152 beispielhaft dargestellte Kopplung kommt Anforderungen an die Pumpgrenzen- oder Stopfgrenzenausweitung sowie einem Überdrehzahlproblem im Höhenbetrieb nahe. Je nach Anforderung, die aus der Anwendung der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 10 abgeleitet wird, lässt sich ein angepasster Verdichter wie der Verdichter 28 mit Radeintrittsvariabilität und Radaustrittsvariabilität und mit Kopplung dieser Variabilitäten durch eine entsprechende Auslegung der Kopplungskinematik generieren. Die Kopplungskinematik lässt sich dabei als ein integraler Bestandteil des Verdichters 28 realisieren. Ebenso ist es möglich, eine verdichterexterne Einstellvorrichtung vorzusehen, welche über voneinander unabhängige Verstellhebel der Radeintrittsvariabilität und der Radaustrittsvariabilität an die Variabilitäten angebunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19823274 C1 [0004]

Claims

Verdichter (28) für einen Abgasturbolader (20), insbesondere eines Kraftwagens, mit einem einen Aufnahmeraum (56) aufweisenden Verdichtergehäuse (54), in dessen Aufnahmeraum (56) ein Verdichterrad (34) um eine Drehachse (58) relativ zum Verdichtergehäuse (54) drehbar aufgenommen ist und welches wenigstens einen Abführkanal (60) aufweist, über welchen das Verdichterrad (34) in einem Abströmbereich (62) des Verdichterrads (34) abströmende Luft von dem Verdichterrad (34) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmbereich (62) eine erste Abströmkante (68) und wenigstens eine sich an die erste Abströmkante (68) anschließende und mit der ersten Abströmkante (68) einen von 180 Grad unterschiedlichen Winkel einschließende zweite Abströmkante (70) des Verdichterrads (34) vorgesehen sind, wobei der Verdichter (28) zumindest ein zwischen wenigstens einer Offenstellung und wenigstens einer Schließstellung bewegbares Stellelement (74) umfasst, mittels welchem die zweite Abströmkante (70) in der Schließstellung wenigstens in einem Teilbereich der zweiten Abströmkante (70) in radialer Richtung überdeckt und in der Offenstellung in dem Teilbereich freigegeben ist.
Verdichter (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Abströmkante (68) zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung und sich die zweite Abströmkante (70) schräg zur radialen Richtung und schräg zur axialen Richtung erstrecken.
Verdichter (28) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Abströmkanten (68, 70) kleiner als 180 Grad und größer als 90 Grad ist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abströmkanten (68, 70) gerade ausgebildet sind.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (74) einen der zweiten Abströmkante (70) zugeordneten Wandungsbereich (90) aufweist, mittels welchem die zweite Abströmkante (70) in der Schließstellung in dem Teilbereich überdeckt ist und welcher eine zu einer Außenkontur der zweiten Abströmkante (70) zumindest im Wesentlichen korrespondierende Gegenkontur aufweist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in radialer Richtung nach außen hin an das Stellelement (74) eine den Abführkanal (60) axial begrenzende Wandung (92) des Verdichters (28) anschließt, welche zumindest in der Schließstellung des Stellelements (74) in axialer Richtung bezüglich des Stellelements (74) zurückversetzt ist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Erstreckung der zweiten Abströmkante (70) zu der Erstreckung der ersten Abströmkante (68) größer als 0,5, insbesondere größer als 0,8, ist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abführkanal (60) wenigstens ein Trennelement (92) angeordnet ist, mittels welchem der Abführkanal (60) zumindest teilweise in axialer Richtung in einen ersten Teilkanal (100) und in einen zweiten Teilkanal (102) unterteilt ist, wobei ein erster Strömungsquerschnitt des ersten Teilkanals (100) mittels des Stellelements (74) einstellbar ist.
Verdichter (28) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Stellelement (75) vorgesehen ist, mittels welchem ein zweiter Strömungsquerschnitt des zweiten Teilkanals (102) einstellbar ist.
Verdichter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (28) wenigstens ein stromauf des Verdichterrads (34) angeordnetes und relativ zum Verdichtergehäuse (54) bewegbares Eintrittsstellelement (116) umfasst, mittels welchem Strömungsbedingungen des Verdichters (28) für die das Verdichterrad (34) anströmende Luft stromauf des Verdichterrads (34) einstellbar sind.