-
Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine, ein Drosselmodul für einen Verdichter einer Aufladevorrichtung und eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
-
Aufladevorrichtungen wie 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.
-
Ein Abgasturbolader weist 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 Luftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff bewirkt wird.
-
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 Durchsätzen, durch die sogenannte Stopfgrenze hin zu höheren Durchsätzen und strukturmechanisch durch die maximale Drehzahlgrenze. Beim Anpassen einer Aufladevorrichtung wie dem Abgasturbolader an einen Verbrennungsmotor wird ein Verdichter mit für den Verbrennungsmotor möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausgewählt. Hierbei sollten folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- - Eine Motorvolllastlinie soll komplett innerhalb des nutzbaren Verdichterkennfelds liegen;
- - vom Fahrzeughersteller geforderte Mindestabstände zu den Kennfeldgrenzen sollen eingehalten werden;
- - maximale Verdichterwirkungsgrade sollen bei Nennlast und in einem Bereich eines unteren Eckdrehmomentes des Verbrennungsmotors vorliegen; und
- - das Verdichterrad soll ein minimales Trägheitsmoment haben.
-
Die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Voraussetzungen wäre mit einem herkömmlichen Verdichter ohne Zusatzmaßnahmen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise würden sich folgende Zielkonflikte durch gegenläufige Trends ergeben:
- - Reduktion des Trägheitsmoments des Verdichters und Maximierung der Kennfeldbreite und des Spitzenwirkungsgrades,
- - Reduktion des Spülens im Bereich des unteren Eckdrehmoments und Maximierung der spezifischen Nennleistung,
- - Verbesserung des Ansprechverhaltens und Erhöhung der spezifischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.
-
Die genannten Zielkonflikte könnten durch ein Verdichter-Design gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Trägheitsmoment sowie maximale Wirkungsgrade auf der Volllastlinie des Motors aufweist.
-
Neben den genannten stationären Anforderungen muss auch bei transienten Betriebszuständen, zum Beispiel bei einem schnellen Lastabwurf des Verbrennungsmotors, ein stabiles Betriebsverhalten des Verdichters gewährleistet sein. Dies heißt, dass der Verdichter auch bei einer plötzlichen Abnahme des geförderten Verdichtermassenstroms nicht ins sogenannte Pumpen gelangen darf.
-
Mit Einschränkung auf den Verdichtereinlass eines Abgasturboladers ist die oben genannte Lösung bisher durch Zusatzmaßnahmen, wie einem verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat, Maßnahmen zur Reduktion eines Einlassquerschnitts des Verdichters oder einem festen Rezirkulationskanal, auch bekannt als Ported Shroud beziehungsweise kennfeldstabilisierende Maßnahme, erreicht worden. Bei den variablen Lösungen wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereiches des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Motorbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nach links hin zu niedrigen Massenströmen verschoben, während im Motorbetrieb bei hohen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nicht oder nach rechts verschoben wird.
-
Der Schaufel-Vorleitapparat verschiebt durch die Einstellung von Schaufelwinkeln und Induktion eines Vordralls in beziehungsweise gegen die Verdichterraddrehrichtung das gesamte Verdichterkennfeld hin zu kleineren beziehungsweise größeren Durchsätzen.
-
Der Verstellmechanismus des Vorleitapparats stellt jedoch eine filigrane, komplizierte und teure Lösung dar.
-
Die Maßnahmen mit Verengung des Verdichtereinlasses durch Querschnittsreduktion verschieben das Verdichterkennfeld hin zu kleineren Durchsätzen, in dem der Einlassquerschnitt durch Schließen der Konstruktion unmittelbar vor dem Verdichter verkleinert wird. Im geöffneten Zustand geben die Maßnahmen möglichst den gesamten Einlassquerschnitt wieder frei und beeinflussen beziehungsweise verschieben so das Kennfeld nicht oder nur marginal. Mögliche, derartige Lösungen sind beispielsweise in der
US 2016/265424 A1 oder der
DE 10 2011 121 996 A1 beschrieben.
-
Bei dem festen Rezirkulationskanal handelt es sich um eine passive Lösung. Er verbreitert den nutzbaren Kennfeldbereich des Verdichters, ohne dessen Kennfeld grundsätzlich zu verschieben. Er stellt im Verhältnis zum Vorleitapparat und der beschriebenen variablen Querschnittsreduktion eine deutlich günstigere, aber gleichzeitig weniger effiziente Lösung dar.
-
Zur Vermeidung des Pumpens bei einem schnellen Lastabwurf wird gewöhnlich ein sogenanntes Schubumluft-Ventil eingesetzt, das im Falle der plötzlichen Abnahme des Ladeluftmassenstroms durch den Motor einen Bypass vom Verdichteraustritt zum Verdichtereintritt öffnet und so den Verdichter im stabilen Kennfeldbereich rechts von der Pumpgrenze hält. Eine Kombination aus aktiven Maßnahmen, wie dem variablen Vorleitapparat und dem Schubumluft-Ventil, ist denkbar, aber unüblich.
-
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für eine Aufladevorrichtung anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb der Aufladevorrichtung beiträgt.
-
Es wird ein Verdichter, etwa ein Radialverdichter, für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine offenbart. Der Verdichter weist ein Verdichtergehäuse auf, in welchem ein Verdichterrad drehfest auf einer drehgelagerten Läuferwelle angeordnet ist. Der Verdichter weist einen Luftzuführkanal zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad auf. Der Verdichter weist ein Drosselmodul auf, welches einen stromaufwärts vor dem Verdichterrad angeordneten Irisblendenmechanismus aufweist. Der Irisblendenmechanismus weist mehrere Lamellen auf und ist ausgebildet, mittels den Lamellen eine Blendenöffnung zu schließen oder zu öffnen, sodass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrads variabel einstellbar ist. Das Drosselmodul weist weiter ein Drosselmodulgehäuse auf, welches den Luftzuführkanal zumindest teilweise begrenzt und in und/oder an welchem der Irisblendenmechanismus angeordnet und gelagert ist. Das Drosselmodul weist einen am Drosselmodulgehäuse gelagerten Aktuator auf, der mit dem Irisblendenmechanismus zur Betätigung dessen mechanisch gekoppelt ist. Das Drosselmodul ist als eine zu dem Verdichtergehäuse separate Baueinheit ausgebildet, die mittels des Drosselmodulgehäuses an dem Verdichtergehäuse angeflanscht ist.
-
Korrespondierend zu dem Verdichter wird ein Drosselmodul offenbart, welches die vorgenannten Merkmale und Funktionen aufweist.
-
Der Verdichter für die Aufladevorrichtung sieht einen modularen, variablen Irisblendenmechanismus vor, der typischerweise direkt vor dem Verdichtereinlass zur Kennfeldverschiebung angeordnet ist. Der Irisblendenmechanismus kann auch als Irisblende oder Irisdrossel bezeichnet werden und hat die Aufgabe, den Einlassmassenstrom des Verdichters durch stufenlose Veränderung des Strömungsquerschnitts einzustellen. Die Irisdrossel wirkt dabei wie eine Art Maskierung eines äußeren Bereichs des Verdichtereinlasses. Bei zunehmender Drosselung, das heißt Querschnittsverengung, übernimmt die Irisdrossel quasi die Aufgabe eines Schubumluft-Ventils, da sie ein Pumpen des Verdichters unterbinden kann. Dadurch ist es möglich, den Betriebsbereich des Verdichters aktiv zu beeinflussen und zusätzlich den Verdichter bei einem plötzlichen Lastabwurf des Motors in einem stabilen Betriebspunkt zu halten.
-
Der Irisblendenmechanismus weist mehrere, durch Drehung zueinander verschiebbare Lamellen auf. Der Irisblendenmechanismus ist in bzw. an dem oben genannten (feststehenden) Drosselmodulgehäuse gelagert. Jede Lamelle ist einerseits in beziehungsweise an dem Drosselmodulgehäuse und andererseits an einem bewegbar gelagerten Verstellring gelagert. Die Lamellen werden über den Verstellring synchronisiert und gemeinsam bewegt. Durch Drehung des Verstellrings wird auch die Drehung der Lamellen ausgelöst. Bei einer Drehung der Lamellen parallel zur Drehachse des Verdichterrads schwenken die Lamellen radial nach innen und führen so zu einer gewünschten Verengung des Strömungsquerschnittes direkt vor dem Verdichterrad. Der Verstellring selbst wird über den Aktuator angesteuert und bewegt. Der Aktuator ist ein elektrisch oder pneumatisch betriebener Steller.
-
Eine Lamelle hat einen im Wesentlichen plattenförmigen und/oder flachen Lamellengrundkörper, der für die Abschirmung des Luftmassenstroms und somit der Einstellung der Blendenöffnung dient. Für die Lagerung am Drosselmodulgehäuse und Verstellring weist eine Lamelle etwa zwei Halteelemente (auch Betätigungselemente) auf, die beispielsweise jeweils in einem Befestigungsabschnitt des Lamellengrundkörpers angeordnet sind. Ein Halteelement ist beispielsweise als Haltestift oder stiftförmiger Haltekörper ausgebildet. Ein Halteelement erstreckt sich typischerweise normal zu einer Haupterstreckungsebene des Lamellengrundkörpers. Die Befestigungsabschnitte können beispielsweise als ein erstes und ein zweites Ende oder als ein erster beziehungsweise zweiter Endbereich der jeweiligen Lamelle ausgebildet sein. Die beiden Befestigungsabschnitte einer Lamelle haben typischerweise gleiche Wandstärken.
-
Der Luftzuführkanal ist in dem Verdichter ausgebildet. Beispielsweise ist der Luftzuführkanal durch das Drosselmodulgehäuse und optional zumindest teilweise durch das Verdichtergehäuse ausgebildet.
-
Der beschriebene Verdichter bzw. das Drosselmodul sehen eine modulare Bauweise für den Verdichter mit einer variablen Eintrittsgeometrie vor. Dies bedeutet, dass der Irisblendenmechanismus, der Aktuator und das Drosselmodulgehäuse zusammen eine geschlossene Einheit, nämlich das Drosselmodul bilden, die direkt an den Verdichter, also modular, angeflanscht ist. Die Anbindung an das Verdichtergehäuse ist beispielsweise über eine Schraubverbindung, eine Klemmverbindung (zum Beispiel eine V-Bandschelle) oder andere zerstörungsfrei lösbare Verbindungstechniken bewirkt.
-
Aufgrund der modularen Bauweise ergeben sich zumindest die folgenden Vorteile:
- - Eine Wärmeleitung aus dem Verdichtergehäuse in ein Gehäuse des Irisblendenmechanismus, etwa das Drosselmodulgehäuse, ist zumindest vermindert, wodurch eine thermische Belastung aller Bauteile des Drosselmoduls sinkt. Es können zusätzlich Maßnahmen ergriffen sein, die eine Wärmeleitung zwischen dem Drosselmodul und dem Verdichter selbst weiter reduzieren. Beispielsweise ist eine entsprechende Ausführung der Anbindung des Drosselmodulgehäuses an das Verdichtergehäuse vorgesehen, indem beispielsweise Hitzeschutzschilder, Dämmmaterialien oder Isolationsmaterialien oder dergleichen vorgesehen sind.
- - Der modulare Aufbau ermöglicht eine einfachere Austauschbarkeit des Drosselmoduls (auch variable Verdichtereintrittseinheit genannt) bei einem eventuellen Schaden. Umgekehrt kann aber auch bei einem Verdichter- bzw. Aufladevorrichtungsschaden das Drosselmodul möglicherweise beibehalten werden, sofern dieses nicht beschädigt ist. Der Verdichter und somit die Aufladevorrichtung sind insgesamt wartungsfreundlicher und im Schadensfall für einen Endkunden kostengünstiger zu reparieren.
- - Das Drosselmodul ermöglicht ebenfalls eine einfache Nachrüstbarkeit im Zubehörmarkt (englisch: after market). Diese Möglichkeit ist vorteilhaft, da ein Endkunde somit nach einer gewissen Laufleistung des Fahrzeugs die auftretenden Leistungsdefizite zumindest im Low-End-Torque-Bereich und hinsichtlich eines Time-To-Torques ausgleichen kann.
- - Weiter ermöglicht die modulare Bauweise dem Fahrzeughersteller, Motoren wahlweise mit oder ohne Drosselmodul auszustatten. Die Variante ohne Drosselmodul und somit variable Einstellbarkeit des Strömungsquerschnitts stellt eine kostengünstige Motorausführung dar, während die Option mit Drosselmodul eine leistungsgesteigerte oder durch das Miller-Konzept verbrauchsoptimierte Version ermöglicht. Da typischerweise die übrigen Bauteile im Wesentlichen identisch sind, können bei der Montage der unterschiedlichen Motorvarianten erheblich Synergieeffekte genutzt werden, die in geringeren Kosten sowie eingesparter Energie und Ressourcen und damit in einem verminderten CO2-Ausstoss der Motorenproduktion resultieren.
- - Die Produktion von Verdichtern bzw. Aufladevorrichtungen mit variablem Verdichtereintritt gestaltet sich mit dem Drosselmodul in der modularen Bauweise deutlich einfacher im Vergleich zu einer in das Verdichtergehäuse integrierten Variante des Irisblendenmechanismus. Der gesamte Mechanismus kann als Zukaufteil beschafft werden. Es erfolgt in der Produktionslinie lediglich das Anflanschen und Befestigen des Drosselmoduls. Zudem ist eine Produktion mit und ohne Drosselmodul auf derselben Linie möglich.
-
Das Drosselmodulgehäuse selbst kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist in einem Flanschbereich zwischen dem Drosselmodulgehäuse und dem Verdichtergehäuse eine Dichtung ausgebildet. Durch das Vorsehen der Dichtung ist der Strömungsraum des Luftmassenstroms im Flanschbereich nach außen hin abgedichtet.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist in dem Flanschbereich zwischen dem Drosselmodulgehäuse und dem Verdichtergehäuse ein Dämpferelement angeordnet. Das Dämpferelement fungiert in einer weiteren Ausführungsform zugleich als Dichtung, alternativ liegt das Dämpferelement zusätzlich zu der Dichtung vor. Mittels des Dämpferelements, welches beispielsweise als Gummipuffer oder Gummidichtung ausgeführt ist, wird eine vibrationsarme Anbindung des Drosselmoduls an das Verdichtergehäuse bewirkt. Im Ergebnis ist eine erhebliche Reduktion der Vibrationsbelastung aller Bauteile des Drosselmoduls gegeben. Beispielsweise handelt es sich um eine großflächige Gummi-Dichtung.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Drosselmodulgehäuse und/oder das Verdichtergehäuse in dem Flanschbereich eine Nut zur Aufnahme einer Dichtung und/oder eines Dämpferelements auf. Dadurch wird eine sicher und einfache Montage einer Dichtung und/oder eines Dämpferelements ermöglicht.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Aktuator über eine Öffnung im Drosselmodulgehäuse mit dem Irisblendenmechanismus zur Betätigung dessen mechanisch gekoppelt, wobei der Aktuator derart am Drosselmodulgehäuse angeordnet ist, dass mittels des Aktuators die Öffnung abgedichtet verschlossen ist.
-
Bei dem beschriebenen Verdichter fungiert der Aktuator selbst als Teil einer Dichtung. Mit anderen Worten ist eine in den Aktuator integrierte Dichtung vorgesehen. Dadurch ist der Strömungsraum, etwa der Luftzuführkanal und der Raum innerhalb des Drosselmodulgehäuses, in welcher der Irisblendenmechanismus gelagert ist, gegen eine Umgebung des Verdichters abgedichtet. Dadurch kann es nicht zu Leckageströmungen, von innerhalb des Verdichters nach außen zur Umgebung hin, kommen. Der Aktuator und das Drosselmodulgehäuse als Gegenstück sind folglich dichtend miteinander verbunden. Das Drosselmodulgehäuse umschließt zumindest einen Verstellring und die Lamellen des Irisblendenmechanismus.
-
Durch das beschriebene Dichtkonzept wird mit Vorteil eine verbesserte Haltbarkeit erreicht, da nicht gegen bewegliche Teile abgedichtet werden muss. Der Aktuator dichtet gegenüber dem Drosselmodulgehäuse ab, so dass zwischen zwei im Betrieb nicht bewegten Teilen die Dichtung erzielt ist. Das Dichtkonzept trägt zu einem geringeren Aufwand hinsichtlich einer Montage und Herstellung bei. Weiterhin wird zu einer kostengünstigen Lösung sowie zu einer besonders verschleißfreien Lösung beigetragen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich die Elemente des Irisblendenmechanismus, insbesondere die Lamellen und der Verstellring, frei innerhalb des Drosselmodulgehäuses bewegen können. Verstellkräfte zum Einstellen der Blendenöffnung sind somit wesentlich geringer im Vergleich zu einer Ausführung, bei welcher die bewegten Teile abgedichtet würden, da in diesem Falle aufgrund der Berührung zwischen Dichtflächen und Gleitflächen zusätzliche Reibung erzeugt werden würde.
-
Ein weiterer Vorteil besteht bei der Schmierung des gekapselten Irisblendenmechanismus mit einem Schmiermittel, beispielsweise Fett. Durch die Kapselung kann es zu keinem Auswaschen des Schmiermittels kommen. Die Schmierung ist damit im Wesentlichen wartungsfrei. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kopplung zwischen dem Aktuator und dem Irisblendenmechanismus aufgrund der direkten Anbindung des Aktuators ans Drosselmodulgehäuse besonders kurz ausgeführt werden kann. Dies trägt zu einer Reduzierung eines Bauraumbedarfs bei. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf einen zusätzlichen Deckel zum Abdichten des Irisblendenmechanismus verzichtet werden kann. Dies trägt dazu bei, dass der Verdichter und somit die Aufladevorrichtung insgesamt kompakter und kostengünstiger herstellbar ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Aktuator als Deckel für die Öffnung des Drosselmodulgehäuses ausgebildet. Die trägt zu den oben genannten Vorteilen und Funktionen bei. Insbesondere, muss kein zusätzlicher Deckel vorgesehen werden, da diese Funktion in den Aktuator selbst integriert ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Aktuator eine flache Unterseite auf, mit welcher der Aktuator die Öffnung abdeckend an dem Drosselmodulgehäuse von außen festgelegt ist. Dadurch wird eine besonders einfache Montage und sichere Funktionsweise gewährleistet.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Dichtung vorgesehen, welche die Öffnung umgibt und welches zwischen dem Aktuator und dem Drosselmodulgehäuse angeordnet ist. Bei der Dichtung handelt es sich beispielsweise um einen O-Ring oder ein anderes Dichtelement. Die Dichtung weist beispielsweise ein Gummimaterial auf. Dadurch wird die oben beschriebene Dichtfunktion bewirkt.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist der Aktuator oder das Drosselmodulgehäuse eine die Öffnung umgebende Nut auf, in welcher die Dichtung angeordnet ist. Dadurch ist die Dichtung sicher an einer der beiden Komponenten festgelegt oder darin aufgenommen.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Aktuator über einen Koppelmechanismus mit einem verstellbaren Verstellring des Irisblendenmechanismus zum Schließen oder Öffnen der Blendenöffnung mechanisch gekoppelt. Bei dem Koppelmechanismus handelt es sich im Wesentlichen um eine Mechanik, die den Aktuator mit dem Verstellring koppelt, so dass dieser betätigbar ist. Der Koppelmechanismus umfasst beispielsweise eine Koppelstange, die drehfest an einer Aktuatorwelle des Aktuators angebunden ist und die fest mit dem Verstellring zum Verstellen dessen verbunden ist. Beispielsweise ist die Koppelstange über einen Koppelstift fest mit dem Verstellring verbunden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Aktuator mittels eines Halters am Drosselmodulgehäuse festgelegt und der Koppelmechanismus liegt zumindest teilweise nach außen frei. Bei einer solchen Variante handelt es sich um einen nach außen offenen Koppelmechanismus. Bei einer derartigen Ausführung ist eine einfache Montage des Aktuators an dem Halter sowie der Kopplung dessen zum Irisblendenmechanismus gegeben.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Koppelmechanismus innerhalb des Drosselmodulgehäuses angeordnet, welches durch den Aktuator nach außen abgedichtet verschlossen ist. Mit anderen Worten ist der Aktuator über den innerhalb des Drosselmodulgehäuses angeordneten Koppelmechanismus mit dem Irisblendenmechanismus zur Betätigung dessen gekoppelt.
-
Dadurch ist der Koppelmechanismus ebenfalls vollständig in das Drosselmodulgehäuse integriert und durch den Aktuator mit abgedichtet. Der Koppelmechanismus liegt somit nicht frei, wodurch eine Verschmutzung dessen vermieden oder nahezu vermieden werden kann. Dadurch wird insgesamt zu einer langen Lebensdauer des Irisblendenmechanismus beigetragen, wobei eine ungestörte Funktionsfähigkeit über einen langen Zeitraum gewährleistet ist. Zusätzlich gilt analog zu oben, dass eine effiziente und effektive Schmierung des integrierten Koppelmechanismus mit Schmiermitteln wie Fett ermöglicht ist. Durch die Kapselung wird ein Auswaschen des Schmiermittels vermieden und eine wartungsfreie Schmierung ist gegeben.
-
Des Weiteren wird eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine offenbart, die ein Läuferlager, in welchem eine Läuferwelle drehbar gelagert ist, und einen Verdichter nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Die Aufladevorrichtung ist als Abgasturbolader oder als elektromotorisch betriebener Lader oder als ein über eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine betriebener Lader ausgebildet. Die Aufladevorrichtung ist also beispielsweise als ein Abgasturbolader ausgebildet, der zum Antrieb des Verdichterlaufrades des Verdichters eine Abgasturbine aufweist oder ist alternativ als ein elektromotorisch betriebener Lader (auch E-Booster genannt) ausgebildet, der zum Antrieb des Verdichterlaufrades des Verdichters einen elektromotorischen Antrieb aufweist. Weiterhin kann die Aufladevorrichtung alternativ zu den zuvor genannten Ausführungen auch als ein über eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine betriebener Lader ausgebildet sein. Eine solche Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Radialverdichter kann beispielsweise mittels eines Zwischengetriebes erfolgen, das einerseits mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine und andererseits mit der Läuferwelle des Radialverdichters in Wirkverbindung steht.
-
Die Aufladevorrichtung ermöglicht im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile und Funktionen. Insbesondere eignet sich der zuvor beschriebene Verdichter in sämtlichen Ausführungsformen sowohl für einen Abgasturbolader, bei dem wie eingangs erläutert eine Turbine durch einen Abgasmassenstrom angetrieben wird, oder für einen elektromotorisch betriebenen Lader. Ein elektromotorisch betriebener Lader beziehungsweise eine Aufladevorrichtung mit einem elektromotorisch betriebenen Lader wird auch als sogenannter E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Aufladevorrichtung mit einem Verdichter mit Irisblendenmechanismus,
- 2A bis 2C schematische Aufsichten des Irisblendenmechanismus in drei verschiedenen Zuständen, und
- 3 bis 5 schematische Querschnittsansichten von Verdichtern mit Drosselmodul gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
-
1 zeigt schematisiert ein Beispiel einer Aufladevorrichtung 1 in Schnittdarstellung, die einen Verdichter 30 (hier ein Radialverdichter), ein Läuferlager 40 und eine Antriebseinheit 20 umfasst. Der Verdichter 30 weist ein optionales Schub-Umluftventil (nicht dargestellt) auf und ein Luft-Massestrom LM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Laderläufer 10 der Aufladevorrichtung 1 weist ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet). Der Laderläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14 . Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Laderachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung der Aufladevorrichtung 1. Der Laderläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 in einem Lagergehäuse 41 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölanschlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
-
In diesem Beispiel weist eine Aufladevorrichtung 1, wie in 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein Gehäuse der Antriebseinheit 20, ein im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und ein zwischen dem Gehäuse der Antriebseinheit 20 und Verdichtergehäuse 31 vorgesehenes Läuferlager 40 bezüglich der gemeinsamen Laderachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden, wobei auch alternative Anordnungen und Konfigurationen von Antriebseinheiten und Läuferlagern möglich sind.
-
Eine weitere Baueinheit der Aufladevorrichtung 1 stellt der Laderläufer 10 dar, der zumindest die Läuferwelle 14 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Verdichterlaufrad 13 ist auf einem Ende der Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Laderachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Laderachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt.
-
Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Luftzuführkanal 36 auf, der optional einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Luft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Laderachse 2 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Luftzuführkanal 36 wird der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Luft-Saugsystem angesaugt und auf das Verdichterrad 13 geleitet. Der Luftzuführkanal 36 kann auch ein Teil eines Ansaugstutzens sein und somit nicht Teil des Verdichtergehäuses 31. Der Luftzuführkanal 36 schließt beispielsweise an das Verdichtergehäuse 31 an und bildet einen Verdichtereinlass 36a zum Leiten des Luftmassenstroms LM auf das Verdichterlaufrad 13.
-
Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Laderachse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, einen sogenannten Spiralkanal 32, auf. Dieser Spiralkanal 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 Verdichterlaufrads 13 weg gerichtet in den Spiralkanal 32 hinein verläuft und durch den der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in den Spiralkanal 32 strömt.
-
Der Spiralkanal 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Luftabführkanal 33 mit einem optionalen Verteiler-Anschlussstutzen 34 zum Anschluss an ein Luft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Luftabführkanal 33 wird der Luftmassenstrom LM unter erhöhtem Druck in das Luft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
-
Die Antriebseinheit 20 ist in 1 nicht weiter detailliert und kann sowohl als Abgasturbine als auch als elektromotorische Antriebseinheit oder auch als eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine, z.B. als Zwischengetriebe, das das mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung steht, ausgeführt sein, was die Aufladevorrichtung 1 im einen Fall zu einem Abgasturbolader und im anderen Fall zu einem elektromotorisch betriebenen Lader auch als E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet, oder zu einem mechanischen Lader macht. Im Falle eines Abgasturboladers wäre gegenüber des Verdichterrads 13 beispielsweise ein Turbinenlaufrad (auch Turbinenrad bezeichnet) vorgesehen, welches ebenfalls auf der Läuferwelle 14 drehfest angeordnet und von einem Abgasmassenstrom angetrieben würde.
-
Im Luftmassenstrom LM stromaufwärts vor dem Verdichterlaufrad 13 ist ein Irisblendenmechanismus 50 zusätzlich oder alternativ zu einem Schubumluft-Ventil (siehe 1) im Luftzuführkanal 36 unmittelbar vor einem Verdichtereinlass 36a (auch Verdichtereintritt) angeordnet und/oder bildet zumindest einen Teilbereich des Luftzuführkanals 36 unmittelbar vor dem Verdichtereinlass 36a des Verdichtergehäuses 31. Der Irisblendenmechanismus 50 ähnelt hinsichtlich seines Funktionsprinzips einer Irisblende in einem Fotoapparat. Der Irisblendenmechanismus 50 ist dazu ausgebildet, eine Blendenöffnung zumindest teilweise zu schließen oder zu öffnen, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom LM zum Anströmen des Verdichterlaufrads 13 zumindest über einen Teilbereich des Strömungsquerschnittes variabel einstellbar ist. Der Irisblendenmechanismus 50 ermöglicht eine Kennfeldverschiebung für den Verdichter 30, in dem dieser als variable Einlassdrossel für das Verdichterrad 13 fungiert.
-
2A bis 2C zeigen schematisch den Irisblendenmechanismus 50 der Aufladevorrichtung 1 in drei verschiedenen Betriebszuständen. Der Irisblendenmechanismus 50 ist an oder in dem Verdichtergehäuse 31 festgelegt und/oder bildet dieses zumindest teilweise. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an einem separaten, feststehenden Gehäuse für den Irisblendenmechanismus 50 gelagert. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an beziehungsweise in einem mehrteiligen Gehäuse gelagert, wobei ein Teil des mehrteiligen Gehäuses durch das Verdichtergehäuse 31 und ein Teil durch ein zusätzliches separates Gehäuse(-element) gebildet ist. Der Irisblendenmechanismus 50 weist einen im Luftzuführkanal 36 konzentrisch zum Verdichtereinlass 36a festgelegten Lagerring 68, einen konzentrisch dazu angeordneten, um ein gemeinsames Zentrum drehbaren Verstellring 53 mit einem Stellhebel 53a und mehrere um einen jeweiligen Drehpunkt im Lagerring 68 drehbar gelagerte Lamellen 52 auf. Anstelle des Lagerrings 68 kann auch das Verdichtergehäuse 31 oder ein anderes Gehäuse (-element) als Lager dienen. Die Lamellen 52 weisen beispielsweise einen plattenförmigen Lamellengrundkörper und zumindest ein stiftförmiges Betätigungselement (hier nicht erkennbar), welches zur Betätigung der jeweiligen Lamelle 52 ausgebildet ist, als integrale oder separate Bestandteile der jeweiligen Lamelle 52 auf.
-
An dem Verstellring 53 sind die Lamellen 52 ebenfalls drehbar und/oder verschiebbar, etwa mittels des Betätigungselements, geführt. Im Beispiel hat der Verstellring 53 drei Nuten 54 (in den Figuren angedeutet) zur Lagerung/Führung der Lamellen 52. Über den Verstellring 53 werden die Lamellen 52 synchronisiert und bewegt. Der Verstellring 53 ist beispielsweise am oder im Gehäuse gelagert. Durch Betätigung des Verstellrings 53 werden die Lamellen 52 radial nach innen verschwenkt und verengen eine Blendenöffnung 55 des Irisblendenmechanismus 50. 2A zeigt dabei die Blendenöffnung 55 mit einer maximalen Öffnungsweite (Offenstellung), 2B zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer verringerten Öffnungsweite und 2C zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer minimalen Öffnungsweite (Schließstellung).
-
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Verdichter 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welcher den anhand von 1 beschriebenen Verdichter ersetzt. Der Verdichter 30 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 1 beschriebenen Verdichter, wobei ein separates Drosselmodul 70 vorgesehen ist.
-
Bei dem Drosselmodul 70 handelt es sich um eine separat zum Verdichtergehäuse 31 des Verdichters 30 ausgebildete, modulare Baueinheit. Das Drosselmodul 70 umfasst ein Drosselmodulgehäuse 71 in welchem beziehungsweise an welchem ein Irisblendenmechanismus 50, ein Koppelmechanismus 65 sowie ein Aktuator 56 gelagert beziehungsweise festgelegt sind. An dem Drosselmodulgehäuse 71 ist ein Halter 72 ausgebildet, an welchem der Aktuator 56 festgelegt ist. Der Aktuator 56 ist mit dem Irisblendenmechanismus 50 über den Koppelmechanismus 65 mechanisch gekoppelt, um diesen zu betätigen. Der Irisblendenmechanismus 50 entspricht dem zuvor beschriebenen Mechanismus, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß 3 kein Lagerring vorgesehen ist. Der Irisblendenmechanismus 50 ist mit dem Verstellring 53 und Lamellen 52 dargestellt, welche die Blendenöffnung 55 begrenzen. Der Koppelmechanismus 65 weist eine Koppelstange 58 und einen Koppelstift 59 auf. Die Koppelstange 58 ist drehfest an eine Aktuatorwelle 57 des Aktuators 56 angebunden. Die Koppelstange 58 wiederum ist selbst mit einem Koppelstift 59 fest mit dem Verstellring 53, etwa dem erwähnten Stellhebel, zur Betätigung dessen verbunden. Durch Drehung der Aktuatorwelle 57 werden der Verstellring 53 und damit wie eingangs erwähnt, die Lamellen 52 verstellt. Der Koppelmechanismus 65 kann auch weitere Elemente, die zur Kopplung des Aktuators 56 mit dem Verstellring 53 vorgesehen sind, umfassen oder gänzlich anders aufgebaut sein.
-
Das Drosselmodul 70 ist wie erwähnt als separate Baueinheit ausgeführt, wobei dieses an das Verdichtergehäuse 31 angeflanscht ist. Insbesondere ist das Drosselmodulgehäuse 71 mit dem Verdichtergehäuse 31 fest verbunden. Die Verbindung mit dem Verdichtergehäuse 31 ist beispielsweise in Form einer Schraubverbindung umgesetzt.
-
In einem Flanschbereich 73 zwischen Verdichtergehäuse 31 und Drosselmodulgehäuse 71 ist eine optionale, um die Läuferdrehachse 15 umlaufende Nut 60 im Verdichtergehäuse 31 ausgebildet, in welcher eine Dichtung 61 aufgenommen ist, sodass das Drosselmodul 70 dichtend mit dem Verdichtergehäuse 31 verbunden ist. Dadurch ist der Strömungsraum im Verdichter 30 abgedichtet. Die Dichtung 61 kann zugleich als Dämpferelement fungieren. Beispielsweise handelt es sich bei der Dichtung 61 um eine Gummidichtung.
-
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Koppelmechanismus 65 und somit auch zumindest teilweise der Irisblendenmechanismus 50 nach außen hin frei. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Drosselmoduls und der Komponenten dessen.
-
4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Verdichter 30 mit einem Drosselmodul 70 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Verdichter 30 weist im Wesentlichen analog zu oben die gleichen bzw. funktionsgleichen Komponenten auf, wobei das Drosselmodul 70 leicht unterschiedlich aufgebaut ist. Im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel sind der Irisblendenmechanismus 50 sowie der Koppelmechanismus 65 innerhalb des Drosselmodulgehäuses 71 angeordnet. Mit anderen Worten sind die Aktuatorwelle 57, die Koppelstange 58, der Koppelstift 59 sowie der Irisblendenmechanismus 50 vollständig in das Drosselmodulgehäuse 71 integriert. Das Drosselmodul 70 ist analog zu oben mit dem Verdichtergehäuse 31 mechanisch verbunden.
-
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 4 fungiert der Aktuator 56 als Deckel für das Drosselmodulgehäuse 71 und verschließt abdichtend eine Öffnung 62 des Drosselmodulgehäuses 71. Hierzu hat der Aktuator 56 eine flache Unterseite 66, mit der er die Öffnung 62 vollständig abdeckt. Zusätzlich weist das Drosselmodulgehäuse 71 die Öffnung 62 umgebend eine weitere Nut 63 auf, in welcher eine weitere Dichtung 64 angeordnet ist. Alternativ sind die weitere Nut 63 sowie die weitere Dichtung 64 in dem Aktuator 56 selbst angeordnet.
-
5 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 4, wobei das Drosselmodul 70 über ein Dämpferelement 67, welches als dämpfende Abdichtung ausgebildet ist, mit dem Verdichtergehäuse 31 im Flanschbereich 73 verbunden ist. Bei dem Dämpferelement 67 handelt es sich um eine großflächige dämpfende Abdichtung.
-
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Verdichter 30 nicht zwingend Teil der in 1 exemplarisch beschriebenen Aufladevorrichtung 1 sein müssen. Vielmehr kann die Aufladevorrichtung 1 auch andersartig ausgestaltet sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2016265424 A1 [0011]
- DE 102011121996 A1 [0011]
