DE102012022020B4

DE102012022020B4 - Abgasturboladersystem einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102012022020B4
Application number: DE102012022020.0A
Authority: DE
Inventors: Karl-Ernst Hummel; Dietmar Talmon-Gros
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Moldtecs 01 2022 GmbH
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: DE102012022020A1

Abstract

Abgasturboladersystem (10) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter (12), der in einem Verdichtergehäuse (26) angeordnet ist, und einer Turbine, die in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei das Verdichtergehäuse (26) einen Verdichtereinlass (24) für zu verdichtendes Gas und einen Verdichterauslass für verdichtetes Gas aufweist und ein Volumenteil (30) stromaufwärts des Verdichters (12) angeordnet ist und das Volumenteil (30) einen Volumenteilauslass (31) aufweist, der mittels eines Einströmkanals (16) mit dem Verdichtereinlass (24) strömungstechnisch verbunden ist, und das Volumenteil (30) bezüglich der Gasströmung einen größeren Querschnitt aufweist als der Verdichtereinlass (24), dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittsverlauf des Einströmkanals (16) in Hauptströmungsrichtung (20) des zu verdichtenden Gases abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen einer in Hauptströmungsrichtung (20) kontinuierlichen Querschnittsverjüngung (41) und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung (46) veränderbar ist, ohne dabei den geringsten Strömungsquerschnitt des Einströmkanals (16) zu verändern.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Abgasturboladersystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter, der in einem Verdichtergehäuse angeordnet ist, und einer Turbine, die in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei das Verdichtergehäuse einen Verdichtereinlass für zu verdichtendes Gas und einen Verdichterauslass für verdichtetes Gas aufweist und ein Volumenteil stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist und das Volumenteil einen Volumenteilauslass aufweist, der mittels eines Einströmkanals mit dem Verdichtereinlass strömungstechnisch verbunden ist, und das Volumenteil bezüglich der Gasströmung einen größeren Querschnitt aufweist als der Verdichtereinlass.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladersystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems, bei dem zu verdichtendes Gas einem Volumenteil zugeleitet und von dort aus durch einen Volumenteilauslass des Volumenteils über einen Einströmkanal durch einen Verdichtereinlass, welcher bezüglich der Gasströmung einen kleineren Querschnitt hat als das Volumenteil, einem Verdichter des Abgasturboladersystems, welcher mit einer Turbine angetrieben wird, die ihrerseits mittels einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben wird, zugeführt und mit dem Verdichter verdichtet wird und das verdichtete Gas wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2005 023 647 A1 ist ein Abgasturbolader mit einem Verdichter bekannt. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf, das zwischen einem Verdichtereinströmbereich und einem Verdichterausströmbereich vorgesehen ist. Zur Strömungskonditionierung der zum Verdichter strömenden Luft ist stromauf des Verdichtereinströmbereichs eine Beruhigungskammer vorgesehen, zu der die Luft über einen stromauf der Beruhigungskammer vorgesehenen, in die Beruhigungskammer führenden Einströmkanal zu der Beruhigungskammer strömt.
Aus der Offenlegungsschrift FR 243 49 39 A1 ist ein Turboladersystem mit einem Verdichter bekannt, wobei der Einströmbereich des Verdichters einen veränderbaren Mindestdurchmesser aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasturboladersystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladersystems der eingangs genannten Art zu gestalten, bei dem eine Strömungskonditionierung vor dem Verdichtereinlass weiter verbessert werden kann. Insbesondere soll die Strömungskonditionierung für unterschiedliche Betriebszustände der Brennkraftmaschine jeweils optimiert werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Querschnittsverlauf des Einströmkanals in Hauptströmungsrichtung des zu verdichtenden Gases abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine veränderbar ist, wobei der Querschnittsverlauf zwischen einer in Hauptströmungsrichtung kontinuierlichen Querschnittsverjüngung und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung veränderbar ist, ohne dabei den geringsten Strömungsquerschnitt des Einströmkanals zu verändern.
Unter dem Einströmkanal im Sinne der Erfindung wird ein Strömungsvolumen verstanden, welches durch eine Umfangswand begrenzt ist. Die Umfangswand kann aus einem Stück bestehen. Sie kann auch aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein. Die Umfangswand kann vorteilhafterweise aus entsprechenden Wandabschnitten des Volumenteils und/oder des Verdichtereinlasses und/oder eines Verbindungsabschnitts zwischen dem Volumenteil und dem Verdichtereinlass und/oder eines anderen Bauteils, insbesondere eines Hohlkörpers, gebildet oder mitgebildet werden. Die Wandabschnitte des Volumenteils und des Verdichtereinlasses können ohnehin vorhanden sein, so dass ein zusätzlicher Bauteilaufwand verringert werden kann. Unter der Hauptströmungsrichtung des zu verdichtenden Gases wird die Strömungsrichtung verstanden, in der das Gas ohne Berücksichtigung von etwaigen Turbulenzen oder von Konturen beeinflusste Strömungsverläufe vom Volumenteil zum Verdichter strömt.
Erfindungsgemäß ist der Einströmkanal so ausgestaltet, dass insbesondere eine Innenkontur seiner Umfangswand abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert werden kann. Auf diese Weise kann ein Strömungsverlauf und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des zu verdichtenden Gases abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert werden. Ferner kann eine Anströmung eines Verdichterrades optimiert werden. So kann insbesondere eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit des Gases am Verdichterrad realisiert werden. Durch die Veränderung des Querschnittsverlaufs des Einströmkanals abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine kann eine auf einen Betriebspunkt optimierte Verdichteranströmung realisiert werden. So kann eine Leistungscharakteristik der Brennkraftmaschine beeinflusst, insbesondere verbessert, werden. Es kann so ein Kraftstoffverbrauch und/oder eine Leistungsentfaltung und/oder eine Geräuschemission abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert werden. Das zu verdichtende Gas kann vorteilhafterweise Luft sein, die zur Verbrennung von Kraftstoff benötigt wird. Es kann aber auch ein andersartiges zur Verbrennung geeignetes Gas, insbesondere reiner Sauerstoff oder eine Gasmischung, sein.
Vorteilhafterweise kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von einer Drehzahl der Brennkraftmaschine veränderbar sein. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei unterschiedlichen Motordrehzahlen jeweils eine optimale Gasströmung des zu verdichtenden Gases beim Einströmen in den Verdichtereinlass erreicht werden kann. Unterhalb einer vorgebbaren Schalt-Motordrehzahl kann vorteilhafterweise die Umfangswand des Einströmkanals in Hauptströmungsrichtung betrachtet wenigstens eine insbesondere scharfkantige Stufe aufweisen, hinter der sich der Einströmkanal verjüngt. Die scharfkantige Stufe kann eine Einschnürung des Gasstroms in Hauptströmungsrichtung bewirken, um eine Verbesserung der Verdichtung zu erzielen. Ab der Schalt-Motordrehzahl und oberhalb dieser kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals so verändert werden, dass die Innenkontur der Umfangswand des Einströmkanals in Hauptströmungsrichtung kontinuierlich, insbesondere strömungsgünstig, verläuft. Durch den kontinuierlichen Verlauf der Innenkontur können Strömungsverluste bei höheren Motordrehzahlen verringert werden.
Der Einströmkanal kann vorteilhafterweise auch abhängig von einem Betriebszustand des Abgasturboladers, insbesondere einer Drehgeschwindigkeit des Verdichterrades oder eines Ladedrucks am Verdichterauslass, veränderbar sein. Auf diese Weise kann die Strömung des zu verdichtenden Gases beim Eintritt in den Verdichtereinlass direkt von den Betriebsbedingungen des Abgasturboladers beeinflusst werden. Auf diese Weise kann die Strömungsgeschwindigkeit am Verdichterrad ebenfalls verbessert werden.
Vorteilhafterweise kann das Volumenteil ein Beruhigungsbehälter zur Beruhigung der Strömung des zu verdichtenden Gases sein. Auf diese Weise kann eine Verbesserung der Leistungscharakteristik der Brennkraftmaschine erreicht werden. Außerdem kann so eine Verringerung einer Geräuschemission erzielt werden.
Vorteilhafterweise kann das Volumenteil aus Kunststoff oder Metall sein. Metallteile können sehr beständig gegenüber Temperatureinflüssen und/oder mechanischen Belastungen sein. Kunststoffteile können einfach recycelt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Konturenhülse mittels einer Schalteinrichtung beweglich in dem Volumenteil so angeordnet sein, dass sie zum verändern des Querschnittsverlauf des Einströmkanals zwischen einer Passivlage entfernt von einem Verbindungsabschnitt, der den Volumenteilauslass und den Verdichtereinlass verbindet, und einer Aktivlage in oder an dem Verbindungsabschnitt bewegt werden kann. Bei der Konturenhülse kann es sich vorteilhafterweise um einen Ringkörper handeln, welcher in seinem Inneren in axialer Richtung für das zu verdichtende Gas durchströmbar ist. Die radial innere Umfangsseite der Konturenhülse kann in der Aktivlage die Umfangswand des Einströmkanals mit bilden. Durch die entsprechende Platzierung der Konturenhülse in oder an dem Verbindungsabschnitt kann die Innenkontur der Umfangswand des Einströmkanals entsprechend verändert werden. Befindet sich die Konturenhülse in der Passivlage außerhalb des Verbindungsabschnitts, so wird der Querschnittsverlauf des Einströmkanals von dem Querschnittsverlauf der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts und etwaiger anschließender Abschnitte des Verdichtereinlasses gebildet. Auf diese Weise können einfach zwei unterschiedliche Querschnittsverläufe für den Einströmkanal realisiert werden. Es kann so einfach zwischen einem kontinuierlichen, strömungsgünstigen Querschnittsverlauf und einem stufenartigen Querschnittsverlauf umgeschaltet werden.
Die Schalteinrichtung kann vorteilhafterweise einen Aktuator oder eine andersartige bewegliche Halteeinrichtung für die Konturenhülse aufweisen. Die Schalteinrichtung kann vorteilhafterweise elektrisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch angetrieben werden. Sie kann vorteilhafterweise mit einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine steuerbar verbunden sein. Auf diese Weise kann die Schalteinrichtung und damit die Konturenhülse einfach abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere der Motordrehzahl, geschaltet werden.
Vorteilhafterweise kann sich die Konturenhülse unterhalb der Schalt-Motordrehzahl in der Passivlage befinden. Entsprechend kann sie oberhalb der Schalt-Motordrehzahl in die Aktivlage bewegt werden, um den Querschnittsverlauf des Einströmkanals entsprechend zu verändern. Alternativ kann sich die Konturenhülse unterhalb der Schalt-Motordrehzahl in der Aktivlage befinden. Bei Erreichen der Schalt-Motordrehzahl kann die Konturenhülse entsprechend aus der Aktivlage in die Passivlage bewegt werden. Die Konturenhülse und der Verbindungsabschnitt können vorteilhafterweise abhängig davon, ob die Konturenhülse oberhalb oder unterhalb der Schalt-Motordrehzahl aktiviert wird, ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Verbindungsabschnitt sich an seiner radial inneren Umfangsseite in Hauptströmungsrichtung des zu verdichtenden Gases strömungsgünstig, insbesondere degressiv, insbesondere tulpenförmig, verjüngen. Der Verbindungsabschnitt kann so ohne Aktivierung der Konturenhülse auf seine Verwendung oberhalb der Schalt-Motordrehzahl optimiert ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise kann so der Verbindungsabschnitt, sofern sich die Konturenhülse in der Passivlage befindet, einen kontinuierlich verjüngenden Einströmkanal realisieren. Unterhalb der Schalt-Motordrehzahl kann vorteilhafterweise die Konturenhülse in die Aktivlage bewegt werden, um eine entsprechende Querschnittsänderung des Einströmkanals zu erreichen.
Um den Strömungsverlauf weiter zu verbessern, kann sich der Verbindungsabschnitt vorteilhafterweise an seiner radial inneren Umfangsseite degressiv verjüngen, also der Grad seiner Verjüngung kann in Hauptströmungsrichtung abnehmen. Vorteilhafterweise kann die radial innere Umfangsseite des Verbindungsabschnitts von innen betrachtet einen konvexen Verlauf haben. Vorteilhafterweise kann der Verbindungsabschnitt eine tulpenförmige Verjüngung der radial inneren Umfangsseite aufweisen. Auf diese Weise kann ein Strömungsverlauf weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Konturenhülse an einem in ihrer Aktivlage stromaufwärtigen Rand oder innerhalb ihrer radial inneren Umfangsseite eine bezüglich der Hauptströmungsrichtung umfangsmäßig verlaufende Stufe realisieren, welche einen Strömungsquerschnitt in Hauptströmungsrichtung verengt. Die Stufe kann dabei durch den stromaufwärtigen Rand der Konturenhülse selbst realisiert sein. Es kann aber auch eine Stufe im Innenbereich der Konturenhülse realisiert sein. Vorteilhafterweise kann die Konturenhülse, die eine derartige Stufe realisiert, mit dem Verbindungsabschnitt, welcher einen strömungsgünstigen Verlauf aufweist, kombiniert werden. In der Aktivlage realisiert die Konturenhülse einen stufenartigen Querschnittsverlauf des Einströmkanals. In der Passivlage realisiert der Verbindungsabschnitt einen strömungsgünstigen Verlauf des Einströmkanals.
Alternativ kann vorteilhafterweise der Verbindungsabschnitt an einem stromaufwärtigen Rand oder innerhalb seiner radial inneren Umfangsseite eine bezüglich der Hauptströmungsrichtung umfangsmäßig verlaufende Stufe realisieren, welche einen Strömungsquerschnitt in Hauptströmungsrichtung verengen kann. Auf diese Weise kann der Verbindungsabschnitt in der Passivlage der Konturenhülse einen stufenartigen Querschnittsverlauf des Einströmkanals realisieren. Die Stufe kann dabei durch den stromaufwärtigen Rand selbst realisiert sein. Falls die Stufe durch den Rand selbst realisiert ist, verjüngt sich der Strömungsquerschnitt beim Übergang von dem Volumenteil in den Verdichtungsabschnitt. Befindet sich die Stufe innerhalb des Verbindungsabschnitts, so verengt sich entsprechend der Strömungsquerschnitt innerhalb des Verbindungsabschnitts.
Vorteilhafterweise kann die Konturenhülse sich an ihrer radial inneren Umfangsseite in Hauptströmungsrichtung des zu verdichtenden Gases strömungsgünstig, insbesondere degressiv, insbesondere tulpenförmig, verjüngen. Auf diese Weise kann durch entsprechendes Bewegen der Konturenhülse in die Aktivlage der Einströmkanal entsprechend strömungsgünstig gestaltet werden. Vorteilhafterweise kann die radial innere Umfangsseite der Konturenhülse von innen betrachtet einen konvexen Verlauf haben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann eine radial äußere Umfangsseite der Konturenhülse wenigstens im Bereich ihrer stromabwärtigen Seite komplementär sein zur radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts wenigstens im Bereich von dessen stromaufwärtiger Seite. Auf diese Weise kann die Konturenhülse in der Aktivlage stabil, insbesondere flächig, an der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts anliegen. So können Relativbewegungen zwischen der Konturenhülse und dem Verbindungsabschnitt verringert werden. Auf diese Weise können Störungen des Strömungsverlaufs verringert werden. Ferner kann so eine Geräuschemission reduziert werden. Außerdem kann so die Standzeit des Abgasturboladersystems, insbesondere der Konturenhülse und dem Verbindungsabschnitt, verlängert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in der Aktivlage der Konturenhülse eine Innenkontur der radial inneren Umfangsseite der Konturenhülse kontinuierlich in eine Innenkontur der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts übergehen. Auf diese Weise können etwaige Störungen des Strömungsverlaufs, insbesondere Turbulenzen, beim Übergang von der Konturenhülse zu dem Verbindungsabschnitt verringert, vorzugsweise verhindert, werden. Der Strömungsverlauf kann so weiter verbessert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Konturenhülse mittels einer Schwenkeinrichtung schwenkbar und/oder mittels einer Linearverschiebeeinrichtung axial zum Verbindungsabschnitt verschiebbar an dem Volumenteil und/oder einem Gehäuse des Abgasturboladers befestigt sein. Mit der Schwenkeinrichtung kann die Konturenhülse zwischen der Passivlage und der Aktivlage geschwenkt werden. Auf diese Weise kann die Konturenhülse in der Passivlage einfach außerhalb des Hauptströmungswegs des zu verdichtenden Gases platziert werden. So kann in der Passivlage ein möglicherweise störender Einfluss der Konturenhülse auf den Strömungsverlauf verringert werden. Durch die Linearverschiebeeinrichtung kann die Konturenhülse aus der Aktivlage einfach in die Passivlage in dem Hauptströmungsweg des zu verdichtenden Gases in einem Innenraum des Volumenteils geschoben werden. So kann die Konturenhülse in der Passivlage als Strömungskörper wirken, mit dem der Strömungsverlauf im Inneren des Volumenteils beeinflusst werden kann. Die Schwenkeinrichtung und die Linearverschiebeeinrichtung können an dem Volumenteil und/oder einem Gehäuse des Abgasturboladers, insbesondere einem Verdichtergehäuse, befestigt sein. Auf diese Weise kann die Konturenhülse stabil gehäusefest gehalten werden und präzise bewegt werden. Es kann auch eine Kombination aus einer Schwenkeinrichtung und einer Linearverschiebeeinrichtung vorgesehen sein, mit der die Konturenhülse aus der Passivlage in die Aktivlage und umgekehrt bewegt werden kann.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch das Verfahren dadurch gelöst, dass ein Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird, indem der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen einer in Hauptströmungsrichtung kontinuierlichen Querschnittsverjüngung und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung umgeschaltet wird, ohne dabei den geringsten Strömungsdurchmesser des Einströmkanals zu verändern.
Erfindungsgemäß wird so eine Strömung in dem Einströmkanal abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine optimal angepasst. Vorteilhafterweise kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine verändert werden. Alternativ kann vorteilhafterweise der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von einem Betriebszustand des Abgasturboladers verändert werden. Im Übrigen gelten die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Abgasturboladersystem aufgezeigten Merkmale und Vorteile für das erfindungsgemäße Verfahren und dessen vorteilhafte Ausgestaltungen entsprechend und umgekehrt.
Erfindungsgemäß wird der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen einer in Hauptströmungsrichtung kontinuierlichen, strömungsgünstigen Querschnittsverjüngung und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung umgeschaltet. Auf diese Weise kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasturboladers in zwei Schaltstellungen jeweils optimiert werden. So kann insbesondere unterhalb einer Schalt-Motordrehzahl eine Stufe im Einströmkanal realisiert werden. Oberhalb der Schalt-Motordrehzahl kann der Verlauf des Einströmkanals strömungsgünstig ausgestaltet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Konturenhülse zum verändern des Einströmkanals zwischen einer Passivlage entfernt von einem Verbindungsabschnitt, der den Volumenteilauslass und den Verdichtereinlass verbindet, und einer Aktivlage in oder an dem Verbindungsabschnitt bewegt werden. Auf diese Weise kann durch entsprechendes Bewegen der Konturenhülse der Querschnittsverlauf des Einströmkanals einfach geändert werden. In der Passivlage kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals durch den Querschnittsverlauf der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts bestimmt werden. In der Aktivlage kann der Querschnittsverlauf des Einströmkanals durch die entsprechenden Wandabschnitte der Konturenhülse wenigstens mit bestimmt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Konturenhülse aus ihrer Passivlage in ihre Aktivlage und umgekehrt geschwenkt und/oder linear verschoben werden. Eine Schwenkbewegung kann einfach, insbesondere mittels eines Schwenkarmes, realisiert werden. Mittels einer Schwenkbewegung kann die Konturenhülse einfach aus einem Hauptströmungsweg des zu verdichtenden Gases herausgeschwenkt werden. Mittels einer linearen Verschiebung kann die Konturenhülse axial zum Verbindungsabschnitt bewegt werden. Auf diese Weise kann während der Verschiebebewegung stets ein gleichmäßiger umfangsmäßiger Spalt zwischen der Konturenhülse und dem Verbindungsabschnitt realisiert werden. Die Konturenhülse kann auch mittels einer kombinierten Schwenk-Verschiebe-Bewegung bewegt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen schematisch
1 einen Detailschnitt eines Abgasturboladersystems mit einem Verdichter, dem ein Beruhigungsbehälter vorgeschaltet ist, und mit einer Konturenhülse in einer Aktivlage in einem Verbindungsabschnitt zwischen dem Beruhigungsbehälter und einem Verdichtereinlass, aus der sie in eine Passivlage geschwenkt werden kann;
2 das Abgasturboladersystem aus der 1, wobei hier die Konturenhülse in ihrer Passivlage in dem Verbindungsabschnitt dargestellt ist;
3 einen Detailschnitt eines Abgasturboladersystems, welches ähnlich ist zu dem Abgasturboladersystem aus den 1 und 2, wobei hier eine Konturenhülse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Aktivlage dargestellt ist, aus der sie linear in eine Passivlage verschiebbar ist;
4 das Abgasturboladersystem aus der 3, wobei hier die Konturenhülse in ihrer Passivlage in dem Verbindungsabschnitt dargestellt ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den 1 und 2 ist ein Ausschnitt eines Abgasturboladers 10 einer ansonsten nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Der Abgasturbolader 10 wird von Abgasen der Brennkraftmaschine zur Erzeugung verdichteter Ladeluft angetrieben.
Der Abgasturbolader 10 umfasst eine in den 1 und 2 nicht gezeigte Turbine und einen Verdichter 12, welcher nur zum Teil gezeigt ist. Einem nicht gezeigten Turbinenrad der Turbine wird über einen Spiralkanal das antreibende, unter Druck stehende Abgas zugeführt. Die Bewegung des Turbinenrades wird über eine nicht gezeigte Welle auf ein koaxial angeordnetes Verdichterrad 14 übertragen. Dem Verdichterrad 14 wird über einen Verdichtereinströmkanal 16 zur Verbrennung dienende Verbrennungsluft zugeführt. Die Verbrennungsluft wird mit dem Verdichterrad 14 auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Eine gedachte Mittelachse 18 des Verdichtereinströmkanals 16 ist bevorzugt koaxial zur Welle des Verdichterrades 14. Eine Hauptströmungsrichtung der zu verdichtenden Verbrennungsluft ist in den 1 und 2 angedeutet durch Pfeile 20. Im Verdichtereinströmkanal 16 verläuft die Hauptströmungsrichtung 20 etwa parallel zur Mittelachse 18. Die verdichtete Ladeluft wird über einen das Verdichterrad 14 umgreifenden Spiralkanal 22 stromab des Verdichterrades 14 zur Brennkraftmaschine abgeleitet.
Der Verdichtereinströmkanal 16 wird auf der Seite des Verdichters 12 mitgebildet durch einen Verdichtereinlass 24. Der Verdichtereinlass 24 ist einstückig mit einem Verdichtergehäuse 26 verbunden. In dem Verdichtergehäuse 26 befindet sich das Verdichterrad 14. Zumindest die radial innere Umfangsseite des Verdichtereinlasses 24 ist koaxial zur Mittelachse 18. An einem stromaufwärtigen freien Rand des Verdichtereinlasses 24 schließt sich ein koaxialer Verbindungsabschnitt 28 eines Beruhigungsbehälters 30 an. Der Beruhigungsbehälter 30 ist aus Kunststoff. Der Verbindungsabschnitt 28 umfasst auf seiner dem Beruhigungsbehälter 30 zugewandten Seite einen Behälterauslass 31 des Beruhigungsbehälters 30. Der stromabwärtige freie Rand des Verbindungsabschnitts 28 ist dicht mit dem freien Rand des Verdichtereinlasses 24 verbunden. Eine Innenkontur der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts 28 geht in eine Innenkontur des Verdichtereinlasses 24 über.
Der Abgasturbolader 10 kann zusammen mit dem Beruhigungsbehälter 30 und dem Verbindungsabschnitt 28 als Abgasturboladersystem bezeichnet werden.
Der Verbindungsabschnitt 28 verjüngt sich in Hauptströmungsrichtung 20 der zu verdichtenden Luft strömungsgünstig. Er verjüngt sich in einem stromaufwärtigen Abschnitt 41 degressiv, sodass seine radial innerer Umfangsseite von innen betrachtet einen konvexen, tulpenförmigen Verlauf hat. An den verjüngenden Abschnitt 41 schließt sich stromabwärts ein zylindrischer Abschnitt 37 an, der mit dem Verdichtereinlass 24 verbunden ist.
Der Beruhigungsbehälter 30 verfügt ferner über eine in den 1 und 2 nicht gezeigte Einlassöffnung für zu verdichtende Verbrennungsluft. Der Beruhigungsbehälter 30 hat unter anderem die Aufgabe, die Luftströmung zu beruhigen. Im Bereich stromauf des Verbindungsabschnitts 28 ist ein Querschnitt des Beruhigungsbehälters 30 senkrecht zur Mittelachse 18 betrachtet größer als ein Querschnitt des Verdichtereinlasses 24 senkrecht zur Mittelachse 18.
In dem Beruhigungsbehälter 30 ist eine Konturenhülse 32 mittels einer Schwenkeinrichtung 34 schwenkbar angeordnet. Die Konturenhülse 32 hat die Form eines Ringkörpers, welcher an seiner radial äußeren Umfangsseite mit einer Schwenkachse 34 der Schwenkeinrichtung 34 verbunden ist. In der 2 ist die Konturenhülse 32 in einer Passivlage außerhalb des Verbindungsabschnitts 28 gezeigt. 1 zeigt die Konturenhülse 32 in einer Aktivlage in dem Verbindungsabschnitt 28. Eine radial innere Umfangsseite der Konturenhülse 32 ist zylindrisch. Ihr Innendurchmesser entspricht einem Innendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 37 des Verbindungsabschnitts 28 und einem Innendurchmesser des Verdichtereinlasses 24. Eine stromaufwärtige Seite der Konturenhülse 32, welche in der in der 1 gezeigten Aktivlage dem Verdichtereinlass 24 abgewandt und einem Innenraum 36 des Beruhigungsbehälters 30 zugewandt ist, ist eben und verläuft in der Aktivlage senkrecht zur Mittelachse 18. In der Passivlage liegt die ebene Anströmseite der Konturenhülse 32, wie in der 2 gezeigt, an einer Stufe einer Seitenwand 38 des Beruhigungsbehälters 30 an.
Eine radial äußere Umfangsseite 40 der Konturenhülse 32 ist komplementär zur radial inneren Umfangsseite des verjüngenden Abschnitts 41 des Verbindungsabschnitts 28.
Die Schwenkachse 35 der Schwenkeinrichtung 34 ist so neben dem Behälterauslass 31 angeordnet, dass die Konturenhülse 32 mittels einer Schwenkbewegung um 90° aus der in der 1 gezeigten Aktivlage in die in der 2 gezeigte Passivlage geschwenkt werden kann. Die Schwenkeinrichtung 34 ist mittels einer Steuerleitung 42 mit einer in den 1 und 2 angedeuteten Motorsteuerung 44 der Brennkraftmaschine steuerbar verbunden.
In der Aktivlage liegt, wie in der 1 gezeigt, die radial äußere Umfangsseite 40 der Konturenhülse 32 flächig an der radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts 28 an. Der Verdichtereinströmkanal 16 wird in der Aktivlage gebildet durch die Konturenhülse 32, den zylindrischen Abschnitt 37 des Verbindungsabschnitts 28 und den Verdichtereinlass 24. Am Übergang vom Innenraum 36 des Beruhigungsbehälters 30 zum Verdichtereinströmkanal 16 befindet sich daher eine scharfkantige Stufe 46, welche durch den radial inneren anströmseitigen Rand der Konturenhülse 32 gebildet wird.
In der in 2 gezeigten Passivlage wird der Verdichtereinströmkanal 16 gebildet durch den verjüngenden Abschnitt 41 und den zylindrischen Abschnitt 37 des Verbindungsabschnitts 28 und den Verdichtereinlass 24. Der Verdichtereinströmkanal 16 hat so in Hauptströmungsrichtung 20 betrachtet einen degressiv, tulpenförmig verjüngenden Querschnitt.
Beim Starten der Brennkraftmaschine und beim Betrieb unterhalb einer beispielsweise im Motorsteuergerät 44 vorgegebenen Schalt-Motordrehzahl befindet sich die Konturenhülse 32 in der Aktivlage. Die zu verdichtende Luft strömt in den Beruhigungsbehälter 30. Von dort aus gelangt die Luft in den Verdichtereinströmkanal 16 und zu dem Verdichterrad 14, wo sie verdichtet wird. Durch die scharfe Stufe 46 wird der Strömungsquerschnitt der Luft in dem Verdichtereinströmkanal 16 gewissermaßen ”eingeschnürt”. Auf diese Weise kann in unteren Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine eine optimale Anströmung des Verdichterrades 14 zur Verdichtung der Luft erreicht werden.
Bei Erreichen der Schalt-Motordrehzahl steuert das Motorsteuergerät 44 über die Steuerleitung 42 die Schwenkeinrichtung 34 an. Mit der Schwenkeinrichtung 34 wird die Konturenhülse 32, in der 1 angedeutet durch einen gebogenen Pfeil 47, aus der Aktivlage in die Passivlage geschwenkt. Die Konturenhülse 32 befindet sich dann außerhalb des Verbindungsabschnitts 28. Sie ist nun außerhalb eines Hauptströmungsweges der Luft im Beruhigungsbehälter 30. Der Verdichtereinströmkanal 16 wird nun von dem Verdichtereinlass 24 und dem Verbindungsabschnitt 28 gebildet. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Querschnitt des Beruhigungsbehälters 30 zu dem Querschnitt des Verdichtereinlasses 24 realisiert. So wird ein Strömungsverlauf erreicht, welcher bei Motordrehzahlen oberhalb der Schalt-Motordrehzahl eine verbesserte Anströmung des Verdichterrades 14 ermöglicht.
Sobald die Schalt-Motordrehzahl wieder unterschritten wird, wird mit der Motorsteuerung 44 erneut die Schwenkeinrichtung 34 angesteuert und die Konturenhülse 32 wieder in die Aktivlage im Verbindungsabschnitt 28 geschwenkt.
In den 3 und 4 ist ein Abgasturbolader 10 mit einer Konturenhülse 132 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. 3 zeigt die Konturenhülse 132 in der Aktivlage, in der 4 ist die Konturenhülse 132 in der Passivlage gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel aus den 1 und 2 ist die Konturenhülse 132 zwischen der Aktivlage und der Passivlage axial zur Mittelachse 18 verschiebbar. Die Konturenhülse 132 ist hierzu mittels einer Linearverschiebeeinrichtung 134 im Beruhigungsbehälter 30 verschiebbar angeordnet. Die Linearverschiebeeinrichtung 134 ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel über eine Steuerleitung 42 mit dem Motorsteuergerät 44 verbunden.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die radial äußere Umfangsseite der Konturenhülse 132 lediglich im Bereich ihrer stromabwärtigen Seite komplementär zur radial inneren Umfangsseite des verjüngenden Abschnitts 41 des Verbindungsabschnitts 28. Auf diese Weise wird in der Aktivlage zusätzlich ein Ringraumabschnitt 148 realisiert, welcher die Konturenhülse 132 an ihrer Anströmseite radial außen umgibt und durch einen anströmseitigen Teil des verjüngenden Abschnitts 41 des Verbindungsabschnitts 28 begrenzt wird.
Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird bei Überschreiten der Schalt-Motordrehzahl analog zum ersten Ausführungsbeispiel die Konturenhülse 132 aus der Aktivlage in die Passivlage in linearer Richtung, in der 3 angedeutet durch einen Pfeil 147, verschoben. In der Passivlage befindet sich die Konturenhülse 132 im durchströmten Bereich des Innenraums 36 des Beruhigungsbehälters 30, also Hauptströmungsweg der Luft. Die Konturenhülse 132 kann so zusätzlich als Strömungskörper dienen, um die Luftströmung zu beeinflussen.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eines Abgasturboladers 10 und eines Verfahrens zum Betreiben eines Abgasturboladers 10 sind unter anderem folgende Modifikationen möglich:
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf einen Abgasturbolader 10 einer Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen. Sie kann auch bei andersartigen Brennkraftmaschinen, beispielsweise Industriemotoren, eingesetzt werden.
Anstelle des Beruhigungsbehälters 30 kann auch ein andersartiges Volumenteil stromaufwärts des Verdichtereinlasses 24 angeordnet sein und über einen entsprechenden Verbindungsabschnitt mit diesem verbunden sein.
Der Beruhigungsbehälter 30 und/oder der Verbindungsabschnitt 28 kann statt aus Kunststoff auch aus einem andersartigen Material, beispielsweise Metall, sein.
Das Verdichtergehäuse 26 kann auch einstückig mit dem Verbindungsabschnitt 28 und dem Beruhigungsbehälter 30 verbunden sein.
Ein alternativer Verbindungsabschnitt kann statt der sich strömungsgünstig, insbesondere degressiv verjüngenden Innenkontur auch an seinem stromaufwärtigen Rand oder innerhalb seiner radial inneren Umfangsseite eine bezüglich der Hauptströmungsrichtung umfangsmäßig verlaufende Stufe realisieren, welche einen Strömungsquerschnitt in Hauptströmungsrichtung verengen kann. Ferner kann eine alternative Konturenhülse sich an ihrer radial inneren Umfangsseite in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Gases in Strömungsrichtung, beispielsweise degressiv, insbesondere tulpenförmig, verjüngen. In diesem Fall hat der Verdichtereinströmkanal in der Passivlage der Konturenhülse einen stufenartigen Übergang mit einer scharfen Kante. Durch Bewegen der Konturenhülse in oder an den Verbindungsabschnitt wird der Verdichtereinströmkanal durch die Konturenhülse mitgebildet, sodass ein strömungsgünstiger Verlauf der Innenkontur entsteht.

Claims

Abgasturboladersystem (10) einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einem Verdichter (12), der in einem Verdichtergehäuse (26) angeordnet ist, und einer Turbine, die in einem Turbinengehäuse angeordnet ist, wobei das Verdichtergehäuse (26) einen Verdichtereinlass (24) für zu verdichtendes Gas und einen Verdichterauslass für verdichtetes Gas aufweist und ein Volumenteil (30) stromaufwärts des Verdichters (12) angeordnet ist und das Volumenteil (30) einen Volumenteilauslass (31) aufweist, der mittels eines Einströmkanals (16) mit dem Verdichtereinlass (24) strömungstechnisch verbunden ist, und das Volumenteil (30) bezüglich der Gasströmung einen größeren Querschnitt aufweist als der Verdichtereinlass (24), dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittsverlauf des Einströmkanals (16) in Hauptströmungsrichtung (20) des zu verdichtenden Gases abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen einer in Hauptströmungsrichtung (20) kontinuierlichen Querschnittsverjüngung (41) und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung (46) veränderbar ist, ohne dabei den geringsten Strömungsquerschnitt des Einströmkanals (16) zu verändern.
Abgasturboladersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konturenhülse (32; 132) mittels einer Schalteinrichtung (34; 134) beweglich in dem Volumenteil (30) so angeordnet ist, dass sie zum verändern des Querschnittsverlauf des Einströmkanals (16) zwischen einer Passivlage entfernt von einem Verbindungsabschnitt (28), der den Volumenteilauslass (31) und den Verdichtereinlass (24) verbindet, und einer Aktivlage in oder an dem Verbindungsabschnitt (28) bewegt werden kann.
Abgasturboladersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (28) sich an seiner radial inneren Umfangsseite (41) in Hauptströmungsrichtung (20) des zu verdichtenden Gases strömungsgünstig, insbesondere degressiv, insbesondere tulpenförmig, verjüngt.
Abgasturboladersystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturenhülse (32; 132) an einem in ihrer Aktivlage stromaufwärtigen Rand oder innerhalb ihrer radial inneren Umfangsseite eine bezüglich der Hauptströmungsrichtung umfangsmäßig verlaufende Stufe (46) realisiert, welche einen Strömungsquerschnitt in Hauptströmungsrichtung (20) verengt.
Abgasturboladersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial äußere Umfangsseite der Konturenhülse (32; 132) wenigstens im Bereich ihrer stromabwärtigen Seite komplementär ist zur radial inneren Umfangsseite des Verbindungsabschnitts (28) wenigstens im Bereich (41) von dessen stromaufwärtiger Seite.
Abgasturboladersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aktivlage der Konturenhülse (32; 132) eine Innenkontur der radial inneren Umfangsseite der Konturenhülse (32; 132) kontinuierlich in eine Innenkontur der radial inneren Umfangsseite (37) des Verbindungsabschnitts (28) übergeht.
Abgasturboladersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturenhülse (32; 132) mittels einer Schwenkeinrichtung (34) schwenkbar und/oder mittels einer Linearverschiebeeinrichtung (134) axial zum Verbindungsabschnitt (28) verschiebbar an dem Volumenteil (30) und/oder einem Gehäuse des Abgasturboladers befestigt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgasturboladersystems einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems (10), bei dem zu verdichtendes Gas einem Volumenteil (30) zugeleitet und von dort aus durch einen Volumenteilauslass (31) des Volumenteils (30) über einen Einströmkanal (16) durch einen Verdichtereinlass (24), welcher bezüglich der Gasströmung einen kleineren Querschnitt hat als das Volumenteil (30), einem Verdichter (12) des Abgasturboladersystems, welcher mit einer Turbine angetrieben wird, die ihrerseits mittels einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben wird, zugeführt und mit dem Verdichter (12) verdichtet wird und das verdichtete Gas wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnittsverlauf des Einströmkanals (16) abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verändert wird, indem der Querschnittsverlauf des Einströmkanals (16) abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zwischen einer in Hauptströmungsrichtung (20) kontinuierlichen Querschnittsverjüngung (41) und einer stufenartigen Querschnittsverjüngung (46) umgeschaltet wird, ohne dabei den geringsten Strömungsdurchmesser des Einströmkanals (16) zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Konturenhülse (32; 132) zum Verändern des Einströmkanals (16) zwischen einer Passivlage entfernt von einem Verbindungsabschnitt (28), der den Volumenteilauslass (31) und den Verdichtereinlass (24) verbindet, und einer Aktivlage in oder an dem Verbindungsabschnitt (28) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturenhülse (32; 132) aus ihrer Passivlage in ihre Aktivlage und umgekehrt geschwenkt und/oder linear verschoben wird.