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Die Erfindung betrifft einen Turbolader für eine Brennkraftmaschine.
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Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden.
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Dazu weist der Abgasturbolader eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbinengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmassenstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluftverdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin angeordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der sogenannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwellenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
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Der Verdichter ist in seinem Betriebsverhalten charakterisiert durch ein sogenanntes Verdichterkennfeld, das den Druckaufbau über den Massendurchsatz für verschiedene Verdichterdrehzahlen oder Umfangsgeschwindigkeiten beschreibt. Ein stabiles und nutzbares Kennfeld des Verdichters wird begrenzt durch die sogenannte Pumpgrenze hin zu niedrigen Massendurchsätzen, durch die sogenannte Stopfgrenze hin zu höheren Massendurchsätzen, und strukturmechanisch durch die maximale Drehzahlgrenze. Beim Anpassen eines Abgasturboladers an einen Verbrennungsmotor wird ein Verdichter mit für den Verbrennungsmotor möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausgewählt.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Verdichterkonzept für einen Turbolader anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb des Turboladers beiträgt.
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Es wird ein Turbolader für eine Brennkraftmaschine offenbart. Der Turbolader weist ein Lagergehäuse auf, in dem eine Läuferwelle drehbar gelagert ist. Weiter ist ein Verdichter mit einem Verdichterrad vorgesehen, welches drehfest auf der Läuferwelle angeordnet ist. Der Turbolader hat einen Frischluftzuführkanal zum Leiten eines Frischluftmassenstroms auf das Verdichterrad, wobei der Frischluftzuführkanal einen ersten Strömungsquerschnitt stromaufwärts vor dem Verdichterrad aufweist. Der Turbolader weist eine Strömungsregelungsvorrichtung auf, die zwischen einer Offenstellung, in welcher der erste Strömungsquerschnitt freigegeben ist, und einer Schließstellung, in welcher der erste Strömungsquerschnitt auf einen zweiten Strömungsquerschnitt verringert ist, verstellbar ist. Die Strömungsregelungsvorrichtung ist mit einem Verdichterkanal des Verdichters stromabwärts des Verdichterrads fluidisch gekoppelt, so dass die Strömungsregelungsvorrichtung in Abhängigkeit eines in dem Verdichterkanal vorherrschenden Drucks verstellt wird.
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Typischerweise ist bei Abgasturboladern ein Eintrittsquerschnitt (Strömungsquerschnitt) im Verdichter für den Frischluftmassenstrom vor dem Verdichterrad konstant. Dies würde in Kombination mit dem Verdichterrad ein vorbestimmtes Verdichterkennfeld bedingen, wodurch der Abgasturbolader beispielsweise in einer sogenannten thermodynamischen Breite beschränkt wäre.
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Durch die Strömungsregelungsvorrichtung, die im Eintrittsbereich des Frischluftmassenstroms in den Verdichter angeordnet ist, kann der Eintrittsquerschnitt vor dem Verdichterrad variabel, etwa stufenlos, zwischen der Schließstellung und der Offenstellung verstellt werden (die Schließ- und Offenstellung eingeschlossen). Dadurch ist eine Art Drosselfunktion für den Frischluftmassenstrom bewerkstelligt, wodurch in einer zumindest teilweisen Schließstellung das Verdichterkennfeld sowie die Pumpgrenze eine Linksverschiebung erfahren. Im geöffneten Zustand sind Totaldruckverluste im Einlassbereich des Verdichters minimiert, sodass das Verdichterkennfeld nicht oder kaum durch die Strömungsregelungsvorrichtung beeinflusst wird. Im Wesentlichen freigeben bedeutet, dass nahezu der gesamte erste Strömungsquerschnitt zum Anströmen des Verdichterrads genutzt wird.
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Im Besonderen handelt es sich bei Strömungsregelungsvorrichtung um eine auf den Verdichterdruck abgestimmte, selbstregelnde Mechanik. Der Verdichterdruck entspricht dem durch den Verdichter erzeugten Ladedruck aufgrund des Verdichtens des Frischluftmassenstroms. Mit anderen Worten reagiert die Strömungsregelungsvorrichtung selbstregelnd auf den Verdichterdruck. Die Einstellung des Strömungsquerschnitts vor dem Verdichterrad erfolgt mittels der fluidischen Verbindung mit dem Verdichterkanal. Je nach erzeugten Druck regelt sich der Strömungsquerschnitt selbst oder automatisch. Es ist nicht notwendig, beispielsweise zusätzliche Aktuatoren bereitzuhalten, die den Strömungsquerschnitt aktiv steuern.
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Stromaufwärts bedeutet hier und im Folgenden, dass es sich um einen Bereich vor dem Verdichterrad handelt, also vor dem Anströmen des Verdichterrads durch den Frischluftmassenstrom und bevor letzterer verdichtet wird. Vor dem Verdichter strömt der Frischluftmassenstrom im Wesentlichen unter Normaldruck. Stromabwärts bedeutet hier und im Folgenden einen Bereich hinter dem Verdichterrad, also nach Durchströmen des Verdichterrads bzw. nach dem Verdichten des Frischluftmassenstroms. Nach dem Verdichter liegt der Frischluftmassenstrom im Betrieb unter erhöhten Druck, einem entsprechenden Ladedruck, vor. Die Begriffe „vor“ und „hinter bzw. nach“ geben eine Auskunft über den Frischluftmassenstrom bezogen auf das Verdichterrad.
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Der Verdichterkanal bedeutet hier und im Folgenden einen Kanal hinter dem Verdichterrad. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Kanal, in welchem der Frischluftmassenstrom nach dem Verdichten strömt. Der Verdichterkanal kann auch als Ringkanal, Spirale oder Spiralkanal bezeichnet werden.
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Der erste und der zweite Strömungsquerschnitt können auch als Eintrittsquerschnitt für das Verdichterrad zum Anströmen dessen bezeichnet werden. Die Strömungsregelungsvorrichtung ist so ausgebildet, dass sich ein entsprechender Strömungsquerschnitt direkt vor dem Verdichterrad bezüglich einer Läuferdrehachse eingestellt.
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Der erste Strömungsquerschnitt ist der Querschnitt, der in einem Einlassbereich des Verdichters vorliegt. Mit anderen Worten handelt es sich um den maximalen Querschnitt des Frischluftzuführkanals, der zum Anströmen des Verdichters zur Verfügung steht. Der Frischluftzuführkanal ist Teil des Verdichtergehäuses, kann alternativ jedoch auch Teil eines Ansaugstutzens oder dergleichen sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Strömungsregelungsvorrichtung einen Regelzylinder auf, der zum Verstellen der Strömungsregelungsvorrichtung axial bezüglich einer Läuferdrehachse der Läuferwelle verschiebbar gelagert und der mit dem Verdichterkanal des Verdichters stromabwärts des Verdichterrads fluidisch gekoppelt ist. Dadurch kann mittels Verschieben des Regelzylinders der Strömungsquerschnitt verstellt werden, wobei der Regelzylinder entsprechend des hinter dem Verdichter herrschenden Verdichterdrucks automatisch gesteuert wird. Der Regelzylinder ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und um die Läuferdrehachse angeordnet. Beispielsweise wird der Regelzylinder bezüglich der axialen Richtung von dem Verdichterrad wegbewegt, je höher ein Verdichterdruck im Verdichterkanal hinter dem Verdichterrad ist. Beispielsweise sind an dem Regelzylinder Strömungsleitelemente angeordnet, die bei Verschieben des Regelzylinders entsprechend den Strömungsquerschnitt verändern.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Regelzylinder zwischen zwei axialen Endpositionen verschiebbar, wobei eine axiale Endposition der Offenstellung der Strömungsregelungsvorrichtung und die andere axiale Endposition der Schließstellung der Strömungsregelungsvorrichtung entsprechen. Beispielsweise sind entsprechende Anschläge oder Anschlagelement vorgesehen, die axiale Bewegung begrenzen. Beispielsweise weist das Verdichtergehäuse einen oder mehrere Anschläge auf.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Regelzylinder einen umlaufenden Kolbenring auf, der in einem axial verschiebbar in einem zu dem Kolbenring korrespondierenden Kolbenhohlraum geführt ist, wobei der Kolbenhohlraum in einem Verdichtergehäuse ausgebildet ist. Der Kolbenring ist als umlaufender, in axialer Richtung vorstehender Abschnitt oder Vorsprung des Regelzylinders zu verstehen, der in dem Kolbenhohlraum formschlüssig axial verschiebbar geführt ist. Der Kolbenhohlraum ist ein in dem Verdichtergehäuse ausgebildeter, sich axial erstreckender Hohlraum, der hinsichtlich einer Formgebung in radialer Richtung bezogen auf die Läuferdrehachse an eine Formgebung des Kolbenrings angepasst ist. Der Hohlraum verläuft um die Läuferdrehachse.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind ein oder mehrere Dichtungselemente vorgesehen, welche zum Abdichten des Kolbenrings gegen den Kolbenhohlraum eingerichtet sind. Beispielsweise sind im Hohlraum ein oder mehrere Dichtungselemente angeordnet, etwa O-Ringe.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der Kolbenhohlraum mittels ein oder mehrerer Kanäle mit dem Ringkanal des Verdichters verbunden. Mittels der fluidischen Verbindung steht der Kolbenhohlraum mit dem Verdichterkanal in Verbindung, so dass ein in dem Verdichterkanal vorherrschender Druck auf den Kolbenring wirken kann. Anders ausgedrückt ist eine Druckkraft des im Verdichterkanal vorherrschenden Drucks auf den Regelzylinder bzw. den Kolbenring übertragbar ist. Der Kanal ist beispielsweise eine Bohrung in dem Verdichtergehäuse. Im Betrieb des Verdichters entsteht ein erhöhter Druck, der eine axiale Kraft auf den Kolbenring bewirkt. Je nach Auslegung einer Wirkfläche (Querschnittsfläche) des Kolbenrings, auf die der Verdichterdruck einwirkt, kann die Verstellbarkeit der Strömungsregelungsvorrichtung beeinflusst werden.
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Der Kanal oder die Kanäle sind in ihrer Anzahl, Position und Ausrichtung, etwa bezüglich der Läuferdrehachse, variabel einbringbar. So kann die Position und/oder Winkel eines Kanals beispielsweise derart gewählt sein, dass die Öffnung der Bohrung in dem Verdichterkanal aufgrund einer Strömungsrichtung des Fluids, etwa des Frischluftmassenstroms, einen dynamischen Druck ausnutzt oder ihm entgegen wirkt. Der dynamische Druck definiert zusammen mit einem statischen Druck den sogenannten Totaldruck. Dadurch kann ein Ansprechpunkt für die Strömungsregelungsvorrichtung innerhalb des Verdichterkennfelds verschoben werden entsprechend einer gewünschten Auslegung des Turboladers. Beispielsweise kann ein früheres oder späteres Ansprechen der Strömungsregelungsvorrichtung bewirkt werden, selbst wenn der statische Druck alleine noch nicht ausreichen würde oder aber bereits zu groß wäre. Eine beispielhafte Position eines Kanals wäre nahe der Zunge auf einem kleinen Teilkreis-Durchmesser oder weit weg radial und tangential.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Strömungsregelungsvorrichtung ein axiales Federelement auf, welches so angeordnet ist, dass dieses eine Federkraft auf den Regelzylinder in axialer Richtung bezüglich der Läuferdrehachse entgegen einer auf den Regelzylinder wirkenden Druckkraft des in dem Verdichterkanal vorherrschenden Drucks ausübt, so dass in Abhängigkeit der Federkraft und der Druckkraft der Regelzylinder axial verschiebbar ist, etwa hin oder weg vom Verdichterrad. Das axiale Federelement kann unmittelbar oder mittelbar über ein weiteres Element auf den Regelzylinder einwirken. Die Federkraft wirkt entgegen eines auf den Kolbenring wirkenden Drucks aus dem Ringkanal. Das Federelement ist beispielsweise axial an dem Regelzylinder und dem Verdichtergehäuse gelagert. Das Federelement trägt zu der Selbstregelbarkeit des Strömungsquerschnitts für den Verdichter bei. Je nach Auslegung des Federelements hinsichtlich einer aufzubringenden Federkraft oder einer Federrate kann die Verstellbarkeit der Strömungsregelungsvorrichtung beeinflusst werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Strömungsregelungsvorrichtung mehrere Leitschaufeln auf, die an dem Regelzylinder drehbar gelagert sind, wobei die Leitschaufeln durch Verschieben des Regelzylinders zwischen der Offenstellung und der Schließstellung verstellbar sind. Die Leitschaufeln definieren entsprechend der Selbstregelung den Strömungsquerschnitt. Aufgrund der mechanischen Kopplung der Leitschaufeln mit dem Regelzylinder, werden die Leitschaufeln in Abhängigkeit einer axialen Position des Regelzylinders verstellt. Beispielsweise sind die Leitschaufeln mittels eines Lagerbocks in oder an dem Regelzylinder, etwa über den Innenumfang des Regelzylinders verteilt, festgelegt.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Leitschaufeln in der Offenstellung so angeordnet, dass die Leitschaufeln den ersten Strömungsquerschnitt freigeben, und wobei bei axialem Verschieben des Regelzylinders die Leitschaufeln in Richtung des Verdichterrads verschoben werden und derart mit dem Verdichtergehäuse zusammenwirken, dass die Leitschaufeln zum Verringern des ersten Strömungsquerschnitts verdreht werden. Dies trägt zu der Selbstregelung bei. Beispielsweise stützen sich die Leitschaufeln mit einer Außenseite an dem Verdichtergehäuse, etwa einer Gehäusekante dessen, ab und gleiten daran bei Verschieben des Regelzylinders in Richtung zur Läuferachse hin ab. Die Außenseite der Leitschaufeln ist beispielweise zumindest teilweise, etwa in einem dem Verdichterrad bezüglich der axialen Richtung zugewandten Bereich, hinsichtlich einer Formgebung an das Verdichtergehäuse angepasst.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind in der Schließstellung die Leitschaufeln axial in Richtung des Verdichterrads verschoben und verdreht, so dass die Leitschaufeln einen im Wesentlichen geschlossenen kegelförmigen Ring mit dem zweiten Strömungsquerschnitt bilden. Die Leitschaufeln sind zur Läuferdrehachse hin gedreht, so dass zumindest vordere Enden der Leitschaufeln in den Strömungskanal ragen. Dabei verjüngt sich der Strömungsquerschnitt mittels der Leitschaufeln in der Schließstellung konisch oder kegelförmig. Dadurch ist die Verdichtereintrittsfläche für den Frischluftmassenstrom verengt und das Verdichterkennfeld verschiebt sich entsprechend.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Leitschaufeln derartig geformt, dass diese ein sich verjüngendes vorderes Ende aufweisen, welches dem Verdichterrad zugewandt ist. Dadurch wird der kegelförmige Ring in der Schließstellung erreicht.
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Die Leitschaufeln können in der Anzahl, Form und Größe variieren und darüber Einfluss auf die Strömungsregelungsvorrichtung nehmen.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Strömungsregelungsvorrichtung ein radiales Federelement auf, welches so angeordnet ist, dass dieses eine Federkraft auf jeweils ein hinteres Ende der Leitschaufeln in Richtung der Läuferdrehachse aufbringt, so dass ein vorderes Ende der Leitschaufeln gegen das Verdichtergehäuse gedrückt wird. Eine Drehachse der Leitschaufeln bezüglich der Läuferdrehachse zwischen einem dem Verdichterrad zugewandten vorderen Ende und dem hinteren Ende der Leitschaufeln, auf welches das radiale Federelement wirkt. Dadurch werden die Leitschaufeln mit ihren Außenseiten gegen das Verdichtergehäuse in der radialen Richtung gedrückt. Das radiale Federelement sorgt dafür, dass die Leitschaufeln bei der axialen Bewegung die Drehbewegung vollziehen können sowie sich an das Verdichtergehäuse, etwa eine Wandung dessen, anlegen und sich je nach axialem Verschieben in oder aus der Strömung bewegen. In der entsprechenden axialen Endposition des Regelzylinders sind die Leitschaufeln vollständig aus der Strömung heraus gezogen, etwa ein entsprechend hoher Ladedruck durch den Verdichter erreicht ist. Sie stören und beeinflussen den Verdichter in höheren Drehzahlen und Leistungen nicht negativ.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das Verdichtergehäuse zweiteilig, wobei ein erster Teil des Verdichtergehäuses an dem Lagergehäuse befestigt ist und das Verdichterrad umgibt und wobei ein zweiter Teil des Verdichtergehäuses an dem ersten Teil befestigt ist, und wobei die Strömungsregelungsvorrichtung zwischen dem ersten und zweiten Teil angeordnet ist. Dadurch ist Montage erleichtert.
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In einer Ausgestaltung weist die Strömungsregelungsvorrichtung die oben beschriebenen Elemente wie Regelzylinder mit Kolbenring, axiales Federelement, radiales Federelement und Leitschaufeln auf. Dadurch wird die selbstregelnde Mechanik bewerkstelligt. Die Elemente sind so ausgebildet und aufeinander abgestimmt, dass die folgenden Zustände erreicht werden. In einem Montagezustand oder einem nicht betriebenen Zustand des Turboladers drückt das axiale Federelement den Regelzylinder in Richtung des Verdichterrads, so dass die Leitschaufeln in der Schließstellung sind und den Strömungsquerschnitt verengen. In einem betriebsgemäßen Zustand mit entsprechendem Ladedruck übt letztere eine Kraft auf den Kolbenring so aus, dass der Regelzylinder von dem Verdichterrad wegbewegt wird und die Leitschaufeln somit ebenfalls axial verschoben werden. Das radiale Federelement sorgt dafür, dass die Leitschaufeln dabei eine Drehbewegung vollziehen aus der Strömung.
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Weitere Vorteile und Funktionen sind in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels offenbart.
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Das Ausführungsbeispiel wird unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Turboladers,
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2 eine schematische Teilschnittansicht eines Turboladers mit einer Strömungsregelungsvorrichtung in einer Schließstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine schematische Aufsicht einer Leitschaufel der Strömungsregelungsvorrichtung,
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4 eine schematische Teilschnittansicht des Turboladers mit der Strömungsregelungsvorrichtung in einer Offenstellung und
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5 und 6 schematische Ansichten eines Ringkanals des Verdichters des Turboladers.
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1 zeigt schematisiert einen exemplarischen Abgasturbolader 1 in Schnittdarstellung, der eine Abgasturbine 20, einen Frischluftverdichter 30 und ein Läuferlager 40 aufweist. Die Abgasturbine 20 ist mit einem Wastegateventil 29 ausgestattet und ein Abgasmassestrom AM ist mit Pfeilen angedeutet. Der Frischluftverdichter 30 weist ein Schub-Umluftventil 39 auf und ein Frischluft-Massestrom FM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Turboladerläufer 10 des Abgasturboladers 1 weist ein Turbinenlaufrad 12 (auch Turbinenrad bezeichnet), ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet). Der Turboladerläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Turboladerachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Abgasturboladers 1. Der Turboladerläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
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In der Regel weist ein gebräuchlicher Abgasturbolader 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein im Abgastrakt des Verbrennungsmotors Turbinengehäuse 21, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und zwischen Turbinengehäuse 21 und Verdichtergehäuse 31 ein Lagergehäuse 41 bezüglich der gemeinsamen Turboladerachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden.
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Eine weitere Baueinheit des Abgasturboladers 1 stellt der Turboladerläufer 10 dar, der die Läuferwelle 14, das in dem Turbinengehäuse 21 angeordnete Turbinenlaufrad 12 mit einer Laufradbeschaufelung 121 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Turbinenlaufrad 12 und das Verdichterlaufrad 13 sind auf den sich gegenüberliegenden Enden der gemeinsamen Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Turboladerachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 mit der Turboladerachse 2 zusammenfällt.
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Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Frischluftzuführkanal 36 auf, der einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Frischluft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Turboladerachse 2 auf das axiale Ende des Verdichterrads 13 zu verläuft. Über diesen Frischluftzuführkanal 36 wird der Frischluftmassenstrom FM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Frischluft-Saugsystem angesaugt.
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Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Turboladerachse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, eine sogenannte Frischluftflute 32 oder auch Verdichterkanal genannt, auf. Diese Frischluftflute 32 weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung mit definierter Spaltbreite, den sogenannten Diffusor 35 auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterrads 13 weg gerichtet in die Frischluftflute 32 hinein verläuft und durch den der Frischluftmassenstrom FM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in die Frischluftflute 32 strömt.
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Die Frischluftflute 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Frischluftabführkanal 33 mit einem Verteiler-Anschlussstutzen 34 zum Anschluss an ein Frischluft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Frischluftabführkanal 33 wird der Frischluftmassenstrom FM unter erhöhtem Druck, dem Verdichter- oder Ladedruck, in das Frischluft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
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Über einen bestimmten Bereich hinweg, zwischen Frischluftzuführkanal 33 und Diffusor 35, folgt die radiale Innenkontur des Verdichtergehäuses 31 der Außenkontur des darin aufgenommenen Verdichterlaufrades 13. Dieser Bereich der Innenkontur des Verdichtergehäuses 31 wird als Verdichter-Dichtkontur 38 bezeichnet und bewirkt, dass der Frischluftmassenstrom FM möglichst vollständig durch die Laufradbeschaufelung 131 des Verdichterlaufrades 13 strömt und nicht daran vorbei. Insofern ist es erforderlich, dass zwischen Verdichter-Dichtkontur 38 des Verdichtergehäuses 31 und Außenkontur des Verdichterlaufrades 13 im Betrieb ein möglichst kleiner Spalt gewährleistet ist, der zwar ein freies Drehen des Verdichterlaufrades 13 erlaubt, jedoch die Umströmungsverluste auf ein Minimum beschränkt.
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Weitere Details des Turboladers 1 werden nicht näher erläutert.
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Im Folgenden wird ein Turbolader 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Dieser ist im Unterschied zu 1 verdichterseitig verändert und um eine Strömungsregelungsvorrichtung 50 ergänzt.
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2 und 4 zeigen schematische Teilschnittansichten des Turboladers 1 zu zwei verschiedenen Betriebszuständen der Strömungsregelungsvorrichtung 50. Die Strömungsregelungsvorrichtung 50 dient der variablen Einstellbarkeit eines Strömungsquerschnitts für den Frischluftmassenstrom FM vor dem Verdichterrad 13, um ein Verdichterkennfeld zu verbessern. Nachfolgend wird detailliert auf die Strömungsregelungsvorrichtung 50 eingegangen.
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Das Verdichtergehäuse 31 ist zweiteilig und umfasst einen ersten Teil 31a, der an das Lagergehäuse 41 montiert ist. Der zweite Teil 31b ist an den ersten Teil 31a montiert, etwa geschraubt. Zwischen die beiden Teile 31a und 31b des Verdichtergehäuses 31 ist die Strömungsregelungsvorrichtung 50 im Eintrittsbereich des Verdichters 30 montiert.
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Die Strömungsregelungsvorrichtung 50 weist einen Regelzylinder 51, der ringförmig ausgebildet und um die Läuferdrehachse 15 angeordnet ist. Der Regelzylinder 51 hat einen Kolbenring 52, der umlaufend ausgebildet ist. Über den Kolbenring 52 ist der Regelzylinder 51 in einem Kolbenhohlraum 53 axial bezüglich der Läuferdrehachse 15 verschiebbar geführt. Der Kolbenhohlraum 53 ist in dem ersten Teil 31a des Verdichtergehäuses 31 also ringförmig umlaufende Ausnehmung ausgebildet. In dem Kolbenhohlraum 53 sind Dichtelemente 54 angeordnet, die den Kolbenring 52 gegenüber dem Kolbenhohlraum 53 abdichten.
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Der Kolbenhohlraum 53 ist über zumindest einen Kanal, im Ausführungsbeispiel eine Bohrung 55 mit der Frischluftflute 32 fluidisch verbunden.
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Die Strömungsregelungsvorrichtung 50 weist weiterhin ein axiales Federelement 56 auf. Das axiale Federelement 56 ist im zweiten Teil 31b des Verdichtergehäuses 31 abgestützt und wirkt mit dem Regelzylinder 51 zusammen. Das axiale Federelement 56 bringt eine axiale Federkraft direkt auf den Regelzylinder 51 in Richtung des Verdichterrads 13 (in 2 angedeutet) auf.
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Weiterhin sind an dem Regelzylinder 51 mehrere Leitschaufeln 57 drehbar bezüglich Drehachsen 58 gelagert. Während in 2 nur eine Leitschaufel 57 im Schnitt gezeigt ist, sind in 4 mehrere Leitschaufeln 57 angedeutet. Die Leitschaufeln 57 sind über jeweils einen Lagerbock 59 an dem Regelzylinder 51 drehbar montiert. Die Drehachsen 58 verlaufen senkrecht zu der Läuferdrehachse 15. Für die Montage der Leitschaufeln 57 kann der Regelzylinder 51 einteilig und geschlitzt, etwa zinnenartig, oder auch zweiteilig ausgebildet sein.
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Die Leitschaufeln 57 sind wie 3 in einer Aufsicht gezeigt keilförmig ausgebildet. Die Leitschaufeln 57 haben bezüglich der Läuferdrehachse 15 ein hinteres Ende 60, einen Mittelabschnitt 61 mit dem Lagerbock und der Drehachse 58 sowie ein vorderes Ende 62, welches sich verjüngt. Eine im montierten Zustand der Läuferdrehachse 15 zugewandte Innenfläche 63 der Leitschaufeln 57 ist im Wesentlichen plan. Anders ausgedrückt verjüngen sich die Leitschaufeln 57 bezüglich der axialen Richtung und haben schräge Flanken. Eine Außenfläche 64, die der Läuferdrehachse 15 im montierten Zustand abgewandt ist, ist hinsichtlich einer Formgebung zumindest im Bereich des vorderen Endes 62 an eine zugewandte Gehäusewand 65 des ersten Teils 31a des Verdichtergehäuses 31 angepasst.
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Weiterhin ist ein radiales Federelement 66 in Form eines Federringes vorgesehen, welches um die hinteren Enden 60 der Leitschaufeln 57 angeordnet ist und eine Federkraft zur Läuferdrehachse 15 auf die Leitschaufeln 57 aufbringt. Dadurch werden die Leitschaufeln 57 gegen den Uhrzeigersinn verdreht, so dass die vorderen Enden 62 gegen die Gehäusewand 65 gedrückt werden.
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Alternativ können auch mehrere axiale und radiale Federelemente vorgesehen sein.
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In 2 ist ein Zustand der Strömungsregelungsvorrichtung 50 gezeigt, der auch als Montagezustand bzw. als Nicht-Betriebszustand des Turboladers 1 bezeichnet werden kann. In diesem Zustand herrscht in der Frischluftflute 32 ein erster Druck p1, etwa Normaldruck bzw. kein erhöhter Verdichterdruck. In diesem Zustand ist die Federkraft des axialen Federelements 56 so groß, dass der Regelzylinder 51 in Richtung des Verdichterrads 13 in den Kolbenhohlraum 53 bis in eine erste axiale Endposition verschoben ist. Das axiale Federelement 56 kann auch mittelbar auf den Regelzylinder 51 eine Federkraft übertragen, etwa durch Zusammenwirken mit den Leitschaufeln 57 und/oder mit dem radialen Federelement 66. Dadurch werden die Leitschaufeln 57 aufgrund ihrer direkten mechanischen Kopplung mit dem Regelzylinder 51 axial verschoben und in die gezeigte Position gebracht. Dabei stützen sich die Leitschaufeln 57 an der Gehäusewand 65 ab, so dass diese entsprechend der bogenförmigen Formgebung an der Außenfläche 64 im Bereich der vorderen Enden 62 um die Drehachsen 58 nach innen verdreht werden. Die hinteren Enden 60 der Leitschaufeln werden radial nach außen entgegen einer Federkraft des radialen Federelements 66 gedreht. Das Federelement 66 wird vorgespannt oder weiter vorgespannt. Diese Federkraft sorgt dafür, dass die Leitschaufeln 57 mit den vorderen Ende 62 an die Gehäusewand 65 gehalten werden.
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Im gezeigten Zustand gemäß 2 sind die vorderen Enden 62, etwa Spitzen der Leitschaufeln 57, nahe an das Verdichterrad 13 bzw. den Verdichterrad-Eintritt verfahren. In diesem Zustand, einer Maximalposition, bilden die Leitschaufeln 57 einen im Wesentlichen geschlossenen, kegelförmigen Ring. In diesem Zustand, der auch Schließstellung genannt wird, verengen die Leitschaufeln den ersten Strömungsquerschnitt A1 des Frischluftzuführkanals 36 auf einen zweiten Strömungsquerschnitt A2.
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4 zeigt einen Betriebszustand des Turboladers 1, wobei in der Frischluftflute 32 der Frischluftmassenstrom FM mit einem zweiten Druck p2 vorliegt, der gegenüber dem ersten Druck p1 erhöht ist. Aufgrund der Bohrung 55 zwischen der Frischluftflute 32 und Kolbenhohlraum 53 und somit dem Regelzylinder 51 wirkt über die Frischluftflute 32 der zweite Druck p2 auf den Regelzylinder 51 zurück, so dass dieser in Abhängigkeit des zweiten Drucks p2 axial in Richtung von dem Verdichterrad 13 weg entgegen der Federkraft des axialen Federelements 56 verschoben wird. Dadurch werden die Leitschaufeln 57 stufenlos weg vom Verdichterrad 13 gezogen. Aufgrund der Federkraft des radialen Federelements 66 auf die hinteren Enden 60 der Leitschaufeln 57 drehen sich die Leitschaufeln 57 entgegen des Uhrzeigersinns und schmiegen sich an die Gehäusewand 65 an. Dadurch bewegen sich die Leitschaufeln 57 aus der Strömung des Frischluftmassenstroms FM.
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In 4 ist eine zweite axiale Endposition des Regelzylinders 51 gezeigt, wobei dieser maximal weit von dem Verdichterrad 13 entfernt ist. Dadurch sind die Leitschaufeln 57 ebenfalls in ihrer Endposition und radial vollständig aus der Strömung herausgezogen. Dadurch ist der erste Strömungsquerschnitt A1 vollständig freigegeben. Dies wird als Offenstellung der Strömungsregelungsvorrichtung 50 bzw. der Leitschaufeln 57 bezeichnet. In dieser Offenstellung liegen die Leitschaufeln 57 mit ihrer Innenfläche 63 auf einem Zylinder-Durchmesser des Frischluftzuführkanals 36, etwa dem ersten Strömungsquerschnitt A1. Zwischen den schrägen Flanken bilden die Leitschaufeln 57 Lücken seitlich zueinander.
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In 4 sind zusätzlich eine einsetzbare Rückwand 67 und eine Dichtungsbuchse 68 gezeigt. Diese sind jedoch nicht für das beschriebene Prinzip relevant.
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Je nach in der Frischluftflute 32 vorherrschendem Druck kann der Regelzylinder 51 andere Positionen zwischen den beiden axialen Endpositionen gemäß 2 und 4 einnehmen. In Abhängigkeit dieser Position können auch die Leitschaufeln 57 entsprechend andere (Zwischen-)Stellungen einnehmen.
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Der beschriebene Turbolader 1 ermöglich somit die eingangs genannten Vorteile und Funktionen, wobei in Abhängigkeit eines in der Frischluftflute 32 vorherrschenden Drucks der Strömungsquerschnitt für den Frischluftmassenstrom FM zum Anströmen des Verdichterrads 13 stufenlos selbstregelnd angepasst wird. Eine Abstimmung in Hinblick auf das Verdichterkennfeld kann über die Form, Anzahl und Größe der Leitschaufeln 57, eine Querschnittsfläche des Kolbenrings 52, die dem Druck aus der Frischluftflute 32 ausgesetzt ist, und den Federelementen 56, 66, etwa den Federraten dieser, erfolgen. Weiterhin kann das Verdichterkennfeld und ein Ansprechverhalten der Selbstregelung mittels der Verbindung des Kolbenhohlraums 53 zu der Frischluftflute 32 eingestellt werden, wie nachfolgend beschrieben.
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5 zeigt die Frischluftflute 32 schematisch. Dabei sind verschiedene Positionen P1 bis P4 für die Bohrung 55 dargestellt. 6 zeigt weiterhin, dass auch eine Ausrichtung der Bohrung 55 unterschiedliche sein kann. Dadurch lassen sich die eingangs genannten Vorteile bewirken.
