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Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Derartige Verdichter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein solcher Verdichter umfasst ein Verdichtergehäuse sowie ein in dem Verdichtergehäuse aufgenommenes Verdichterrad. Das Verdichterrad ist dabei um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse drehbar und dient zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft. Durch das Verdichten der Luft können auch mit einem nur sehr geringen Hubraum der beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine sehr hohe Leistungen und/oder Drehmomente realisiert werden.
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Moderne Verbrennungskraftmaschinen werden zunehmend nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschinen einen nur sehr geringen Hubraum aufweisen, jedoch die den Verbrennungskraftmaschinen zuzuführende Luft stark verdichtet wird, so dass hohe Aufladegrade und somit hohe Leistungen und Drehmomente realisiert werden können.
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Das Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschinen bei geringen Drehzahlen sowie eine erwünschte Nennleistung erfordern entsprechende Verdichterkennfeldeigenschaften insbesondere hinsichtlich einer großen Kennfeldbreite, welche durch die sogenannte Pumpgrenze und die sogenannte Stopfgrenze begrenzt wird. Mit steigendem Druckverhältnis wird das Verdichterkennfeld schmaler, wodurch somit eine entsprechende Drehmomentkurve der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen begrenzt ist. Die Pumpgrenze wird hierbei oft zum Auslegungspunkt, um einen besonders geringen Hubraum sowie hohe Drehmomente und Leistungen zu realisieren. Dies führ jedoch bei der Nennleistung zu stark abfallenden Verdichterwirkungsgraden. Es hat sich zudem gezeigt, dass unerwünschte Beschränkungen der Volllastkurve der Verbrennungskraftmaschine zu Kompromissen bei der Abstimmung von Getriebestufen eines zugeordneten Getriebes führen, was dem Wunsch, CO2-Emissionen gering zu halten, entgegensteht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdichter für eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Verdichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art bereitzustellen, welcher einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, ist erfindungsgemäß eine Verstelleinrichtung mit wenigstens einem, stromauf des Verdichterrads angeordneten Verstellelement vorgesehen, mittels welchem ein stromauf des Verdichterrads angeordneter, von der zu verdichtenden Luft durchströmbarer Strömungsquerschnitt einstellbar ist.
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Durch das stromauf des Verdichterrads und somit in einem Verdichtereintrittsbereich eingeordnete Verstellelement ist eine sogenannte Verdichtereintrittsvariabilität geschaffen, mittels welcher der Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrads variabel eingestellt werden kann. Dadurch kann eine besonders große Verdichterkennfeldbreite realisiert werden. Dies führt bei der Ausgestaltung der Verbrennungskraftmaschine nach dem sogenannten Downsizing-Konzept zu einer besonders vorteilhaften Verdichterauslegung, wobei sowohl ein sogenannter Drehmomenteckpunkt als auch die Nennleistung der Verbrennungskraftmaschine von der sehr großen Verdichterkennfeldbreite des erfindungsgemäßen Verdichters profitieren.
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Durch die Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts stromauf des Verdichterrads kann der Verdichter an unterschiedliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden, so dass die Luft effizient verdichtet werden kann. Dadurch ist ein besonders großer Freiheitsgrad hinsichtlich der Auslegung des Verdichters und insbesondere des Verdichterrads geschaffen. Der Freiheitsgrad besteht insbesondere darin, dass das Verdichterrad an seinem Eintritt hinreichend groß für eine vorteilhafte Stopfgrenzenlage dimensioniert werden kann und trotzdem im Pumpgrenzenbereich gute Voraussetzungen zur Strömungsverzögerung sowie für einen einhergehenden Druckaufbau gegeben sind.
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Der erfindungsgemäße Verdichter weist somit einen sehr guten Wirkungsgrad auf. Dies führt auch zu einem sehr guten Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine, so dass diese mit einem geringen Kraftstoffverbrauch und somit mit geringen CO2-Emissionen betrieben werden kann. Darüber hinaus ist mittels des erfindungsgemäßen Verdichters ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine realisierbar. Mit anderen Worten kann das sogenannte Turboloch besonders gering gehalten oder vermieden werden. Des Weiteren ist eine sehr gute Drehmomentcharakteristik der Verbrennungskraftmaschine darstellbar. Darüber hinaus kann beispielsweise bei einer als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine ein Schubumluftventil entfallen.
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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 Fig. alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Abgasturboladers für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einem Verdichter, welcher eine Verstelleinrichtung mit mehreren, stromauf eines Verdichterrads des Verdichters angeordneten Verstellelementen umfasst, mittels welchen ein von mittels des Verdichters zu verdichtender Luft durchströmbarer und stromauf des Verdichterrads angeordneter Strömungsquerschnitt variabel einstellbar ist, wobei die Verstelleinrichtung in einer ersten Stellung gezeigt ist;
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2 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 1, wobei die Verstelleinrichtung in einer zweiten Stellung gezeigt ist;
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3 ausschnittsweise eine weitere schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 1 und 2, wobei die Verstelleinrichtung in einer dritten Stellung gezeigt ist;
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4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Abgasturboladers, wobei die Verstelleinrichtung in einer ersten Stellung gezeigt ist;
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5 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 4, wobei die Verstelleinrichtung in einer zweiten Stellung gezeigt ist; und
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6 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Abgasturboladers gemäß 5 und 6, wobei die Verstelleinrichtung in einer dritten Stellung gezeigt ist.
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1 zeigt ausschnittsweise einen Abgasturbolader 10 für eine beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Der Abgasturbolader 10 umfasst einen Verdichter 12, mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft zu verdichten ist. Der Verdichter 12 umfasst ein Verdichtergehäuse 14, in welchem ein Verdichterrad 16 zum Verdichten der Luft um eine Drehachse 18 relativ zu dem Verdichtergehäuse 14 drehbar aufgenommen ist.
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Das Verdichterrad 16 ist einem Laufzeug 20 des Abgasturboladers 10 zugeordnet. Das Laufzeug umfasst auch eine in 1 ausschnittsweise erkennbare Welle 22, mit welcher das Verdichterrad 16 drehfest verbunden ist. Das Laufzeug 20 umfasst auch ein in 1 nicht dargestelltes Turbinenrad einer in 1 nicht dargestellten Turbine des Abgasturboladers 10, wobei die Turbine in einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt angeordnet ist. Das Abgas kann das Turbinenrad antreiben, so dass das Verdichterrad 16 über die Welle 22 von dem Turbinenrad angetrieben wird.
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Durch das Verdichtergehäuse 14 ist ein Zuführkanal 24 gebildet, über welchen die zu verdichtende Luft dem Verdichterrad 16 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung zugeführt wird. Das Verdichtergehäuse 14 weist ferner einen Abführkanal 26 auf, welcher als Spiralkanal ausgebildet sein kann und über welchen die mittels des Verdichterrads 16 verdichtete Luft von diesem abgeführt wird.
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Zur Realisierung eines besonders breiten Kennfelds des Verdichters 12 umfasst dieser eine Verstelleinrichtung 28 mit Verstellelementen 30, 32, welche – wie in 1 durch Doppelpfeile angedeutet ist – jeweils in axialer Richtung relativ zueinander und relativ zu dem Verdichtergehäuse 14 translatorisch bewegbar sind. Durch translatorisches Verschieben der stromauf des Verdichterrads 16 angeordneten Verstellelemente 30, 32 ist ein von der zu verdichtenden Luft durchströmbarer und stromauf des Verdichterrads 16 angeordneter, engster Strömungsquerschnitt des Verdichters 12 variabel einstellbar. Die Verstellelemente 30, 32 sind dabei zwischen einer jeweiligen, in 1 gezeigten Freigabestellung und einer in 2 und 3 gezeigten, jeweiligen Sperrstellung verschiebbar. Dabei ist in 2 die Sperrstellung des Verstellelements 30 gezeigt, während sich das Verstellelement 32 in 2 in seiner Freigabestellung befindet. In 3 befinden sich beide Verstellelemente 30, 32 in ihrer jeweiligen Sperrstellung.
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Um in den Freigabestellungen eine strömungsgünstige Führung der zu verdichtenden Luft zu dem Verdichterrad 16 zu gewährleisten, ist ein Führungselement 36 vorgesehen, welches zumindest außenumfangsseitig als zumindest im Wesentlichen gerader Kreiszylinder ausgebildet ist und welches zumindest in axialer Richtung relativ zu dem Verdichtergehäuse 14 unbewegbar ist.
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Gemäß 1 bis 3 sind die Verstellelemente 30, 32 als Hülsen ausgebildet, welche in Form eines geraden, hohlen Kreiszylinders ausgebildet sind und bedarfsweise den auch als Eintrittsquerschnitt bezeichneten, engsten Strömungsquerschnitt stromauf des Verdichterrads 16 sukzessive in radialer Richtung von innen nach außen abdecken. Mit anderen Worten wird der engste Strömungsquerschnitt zumindest in der jeweiligen Sperrstellung in radialer Richtung nach innen hin durch die Verstellelemente 30, 32 begrenzt, während der Strömungsquerschnitt in radialer Richtung nach außen durch das Verdichtergehäuse 14 begrenzt wird.
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Das Verstellelement 32 weist eine dem Verdichterrad 16 zugewandte, offene Stirnseite 34 auf, über welche das Verstellelement 30 zumindest teilweise in das Verstellelement 32 hineingeschoben werden kann. Das Verstellelement 30 ist dabei in der Freigabestellung des Verstellelements 32 sowie in der Freigabestellung des Verstellelements 30 teilweise in dem Verstellelement 32 aufgenommen. In den jeweiligen Sperrstellungen ist – wie anhand von 3 erkennbar ist – das Verstellelement 30 vollständig in dem Verstellelement 32 aufgenommen.
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Dabei weist auch das Verstellelement 30 eine dem Verdichterrad 16 zugewandte, offene Stirnseite 38 auf, über welche das Verstellelement 30 über das Führungselement 36 geschoben werden kann. Mit anderen Worten kann das Führungselement 36 über die offenen Stirnseite 38 in dem Verstellelement 30 aufgenommen werden. Das Führungselement 36 ist dabei in der Freigabestellung des Verstellelements 30 teilweise in diesem aufgenommen.
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1 zeigt die Verstelleinrichtung 28 in einer ersten Stellung, in welcher der Strömungsquerschnitt maximal freigegeben ist. 2 zeigt die Verstelleinrichtung 28 in einer zweiten Stellung, in welcher der Strömungsquerschnitt gegenüber der ersten Stellung verengt ist. Dazu wird das Verstellelement 30 in axialer Richtung zumindest teilweise aus dem Verstellelement 32 heraus bewegt, indem es in Richtung des Verdichterrads 16 geschoben wird. Das Verstellelement 32 verbleibt dabei in seiner Freigabestellung. In der in 2 gezeigten Sperrstellung des Verstellelements 30 ist das Führungselement 36 vollständig in dem Verstellelement 30 aufgenommen.
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3 zeigt die Verstelleinrichtung 28 in einer dritten Stellung, in der der Strömungsquerschnitt gegenüber der ersten Stellung und gegenüber der zweiten Stellung weiter verengt ist. Dazu wird auch das Verstellelement 32 aus seiner in 2 gezeigten Freigabestellung in seine in 3 gezeigte Sperrstellung verschoben, in der das Führungselement 36 und das Verstellelement 30 vollständig im Verstellelement 32 aufgenommen sind.
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Bei dem mittels der Verstelleinrichtung 28 einstellbaren Strömungsquerschnitt stromauf des Verdichterrads 16 handelt es sich um den engsten Strömungsquerschnitt des Verdichters 12, welcher mittels der Verstelleinrichtung 28 einstellbar ist. In der zweiten Stellung wird der engste Strömungsquerschnitt in radialer Richtung nach außen durch das Verdichtergehäuse 14 und in radialer Richtung nach innen durch das Verstellelement 30 begrenzt und ist als zumindest im Wesentlichen ringförmiger Strömungsquerschnitt ausgebildet. In der dritten Stellung wird der engste Strömungsquerschnitt in radialer Richtung nach außen durch das Verdichtergehäuse 14 und in radialer Richtung nach innen durch das Verstellelement 32 begrenzt und ist ebenso als zumindest im Wesentlichen ringförmiger Strömungsquerschnitt ausgebildet, weist jedoch gegenüber der zweiten Stellung einen wesentlich geringeren Flächeninhalt auf und ist somit gegenüber der zweiten Stellung verengt.
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Alternativ oder zusätzlich zu dieser sukzessiven Verengung des Strömungsquerschnitts in radialer Richtung von innen nach außen hin ist auch eine sukzessive Verengung des Strömungsquerschnitts in radialer Richtung von außen nach innen hin durch entsprechende Verstellelemente möglich. Ferner ist eine entsprechende Verengung des Strömungsquerschnitts bei der Verstellung wenigstens eines Verstellelements einer entsprechenden Verstelleinrichtung aus einer Freigabestellung in eine Sperrstellung in radialer Richtung von außen nach innen und in radialer Richtung von innen nach außen denkbar.
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4 bis 6 zeigen eine Möglichkeit, den engsten Strömungsquerschnitt stromauf des Verdichterrads 16 in radialer Richtung von innen nach außen sukzessive zu verengen. Der in 3 bis 6 dargestellte Verdichter unterscheidet sich nur in Teilen vom Verdichter 12 gemäß 1 bis 3, so dass im Folgenden lediglich auf Unterschiede eingegangen wird. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
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Die Verstelleinrichtung 28 umfasst nun ein Verstellelement 30', welches als in seinem Volumen veränderbares Volumenelement ausgebildet ist. Das Volumenelement ist durch Verändern seines Volumens zwischen wenigstens zwei, in 5 und 6 gezeigten und den Strömungsquerschnitt stromauf des Verdichterrads 16 verengenden Sperrstellungen und einer den engsten Strömungsquerschnitt gegenüber den Sperrstellungen erweiternden Freigabestellung verstellbar, wobei die Freigabestellung in 4 gezeigt ist.
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Durch Verändern des Volumens des Verstellelements 30' (Volumenelement) kann insbesondere seine Erstreckung in radialer Richtung verändert werden, wodurch das Verstellelement 30' zwischen den Sperrstellungen und der Freigabestellung verstellbar ist.
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Das Verstellelement 30' ist beispielsweise aus einem elastischen Material gebildet und weist wenigstens einen Aufnahmeraum auf, welcher zum Vergrößern seines Volumens mit einem Medium, beispielsweise mit Flüssigkeit oder Gas, beaufschlagbar ist. Durch Beaufschlagen des Aufnahmeraums mit dem Medium kann das Verstellelement 30' vor allem in radialer Richtung von innen nach außen vergrößert werden, so dass dadurch der engste Strömungsquerschnitt verringert wird. Der engste Strömungsquerschnitt wird dabei zumindest in den Sperrstellungen in radialer Richtung nach innen durch das Verstellelement 30' und in radialer Richtung nach außen durch das Verdichtergehäuse 14 begrenzt.
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Alternativ oder zusätzlich zu dieser sukzessiven Verengung des engsten Strömungsquerschnitts in radialer Richtung von innen nach außen ist auch eine sukzessive Verengung des engsten Strömungsquerschnitts in radialer Richtung von außen nach innen denkbar. Dazu ist beispielsweise alternativ oder zusätzlich ein entsprechendes Volumenelement am Verdichtergehäuse 14 angeordnet, welches sich durch Vergrößern seines Volumens immer weiter in radialer Richtung von außen nach innen in den Zuführkanal 24 hinein erstreckt und somit den engsten Strömungsquerschnitt sukzessive verengt.
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Durch die Verstelleinrichtung 28 ist eine sogenannte Eintrittsvariabilität in einem Verdichtereintrittsbereich 25 des Verdichters 12 geschaffen, so dass ein besonders breites Kennfeld des Verdichters 12 und somit ein effizienter Betrieb des Verdichters 12 sowie der Verbrennungskraftmaschine realisiert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abgasturbolader
- 12
- Verdichter
- 14
- Verdichtergehäuse
- 16
- Verdichterrad
- 18
- Drehachse
- 20
- Laufzeug
- 22
- Welle
- 24
- Zuführkanal
- 25
- Verdichtereintrittsbereich
- 26
- Abführkanal
- 28
- Verstelleinrichtung
- 30, 30'
- Verstellelement
- 32
- Verstellelement
- 34
- Stirnseite
- 36
- Führungselement
- 38
- Stirnseite
