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Die Erfindung betrifft einen Verdichter sowie einen Abgasturbolader mit einem solchen Verdichter. Die Erfindung betrifft weiterhin eine einen solchen Verdichter umfassende Brennkraftmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug.
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In einem Verdichter einer Brennkraftmaschine wird das über einen Frischgasstrang einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas verdichtet. Dabei ist die Druckanhebung von der Drehzahl des Verdichterlaufrads sowie von dem Massenstrom des über das Verdichterlaufrad geführten Frischgases abhängig. In Richtung der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds erfolgt die Anströmung der Eintrittskanten der Laufradschaufeln infolge der gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit abnehmenden Anströmgeschwindigkeit zunehmend druckseitig, d.h. die Inzidenz der Anströmung nimmt stetig zu. Ab einem betriebspunktabhängigen Grenzwert der Inzidenz, der sogenannten Pumpgrenze, löst die Strömung an den Eintrittskanten ab und die Strömung im Verdichter wird instabil.
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Im Bereich der Pumpgrenze bildet sich an der einlassseitigen Gehäusekontur des Verdichters ein Rückströmgebiet impulsarmen Fluids aus. Diese sogenannte Rückströmblase führt durch Drall- und Mischungsverluste zu einem Abfall des Verdichterwirkungsgrads. Im Bereich der Nabenkontur des Laufrads verläuft aber auch nahe der Pumpgrenze eine impulsreiche und verlustärmere Kernströmung durch den Verdichter, die den Massendurchsatz und den Druckaufbau bestimmt.
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Ein Trimmsteller, wie er beispielsweise aus der
DE 10 2010 026 176 A1 bekannt ist, dient der Verschiebung der Pumpgrenze eines Verdichterkennfelds in Richtung niedrigerer Massenströme bei hohen Druckverhältnissen. Gleichzeitig kann ein Trimmsteller im Bereich der Pumpgrenze einen Anstieg des Verdichterwirkungsgrads bewirken. Hierzu umfasst ein Trimmsteller eine Vorrichtung, durch die der Anströmquerschnitt, in dem das Laufrad des Verdichters angeströmt wird, veränderbar ist. Durch die so erreichte Düsenwirkung des Trimmstellers kann mit zunehmendem Regeleingriff (Verkleinerung des Anströmquerschnitts) die Gasströmung stärker auf einen nabennahen Eintrittsquerschnitt des Verdichterlaufrads fokussiert werden. Dadurch strömt weniger Gas in den impulsarmen und verlustbehafteten Bereich der Rückströmblase und die Kernströmung im nabennahen Bereich wird beschleunigt und dadurch zusätzlich stabilisiert. Die Beschleunigung der Gasströmung im nabennahen Bereich des Verdichterlaufrads hat zusätzlich eine saugseitige Verschiebung der Anströmung des Verdichterlaufrads zur Folge, was zu einer weiteren Stabilisierung der Gasströmung beitragen kann. Die Stabilisierung der Kernströmung führt zu der gewünschten Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds zu geringeren Massenströmen. Bei nicht gewünschtem Regeleingriff (Trimmsteller vollständig geöffnet) wird möglichst der gesamte Querschnitt des Frischgasstrangs vor dem Verdichterlaufrad freigegeben, so dass in der Anströmung des Verdichterlaufrads möglichst keine zusätzlichen Reibungs- oder Drosselverluste entstehen. Der Verdichterwirkungsgrad und die Breite des Verdichterkennfelds werden deshalb in Richtung der Stopfgrenze nicht wesentlich negativ durch einen Trimmsteller beeinflusst.
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Der aus der
DE 10 2010 026 176 A1 bekannte Trimmsteller umfasst einen Konus, der in einer Ausführungsform aus einer Mehrzahl von Lamellen besteht. Die Lamellen sind in zwei Schichten angeordnet, wobei die Lamellen jeder Schicht zueinander beabstandet und die zwei Schichten zueinander rotatorisch versetzt sind, so dass die Lamellen einer Schicht die Abstände zwischen den Lamellen der jeweiligen anderen Schicht überdecken. Mittels eines in längsaxialer Richtung verschiebbaren, die Lamellen außenseitig umgebenden Rings können die den Austrittsquerschnitt des Konus ausbildenden Enden der Lamellen radial verschoben werden. Dadurch verändert sich die Größe des Austrittsquerschnitts und damit des Anströmquerschnitts, in dem das Verdichterlaufrad angeströmt wird.
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Auch aus der
DE 10 2015 209 704 A1 ist ein Verdichter mit einem Trimmsteller bekannt. Bei diesem Verdichter ist innerhalb eines Einlasskanals eine rohrförmige Strömungsführungsvorrichtung angeordnet, dessen Längsachse koaxial zu der Rotationsachse des Verdichterlaufrads ausgerichtet ist und durch das der Einlasskanal in einen zentralen Strömungsbereich sowie einen peripheren Strömungsbereich unterteilt ist. Die rohrförmige Strömungsführungsvorrichtung geht an ihrem einlassseitigen Ende in ein ringscheibenförmiges, radial verlaufendes Stützelement über, das unter anderem dazu dient, die Strömungsführungsvorrichtung innerhalb des Einlasskanals positioniert zu halten. In dem Stützelement sind in gleichmäßiger Teilung eine Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen vorgesehen, durch die das Frischgas in den peripheren Strömungsbereich des Einlasskanals strömen kann. Die Durchtrittsöffnungen in dem Stützelement sind mittels einer ringscheibenförmigen Verschlussblende, die korrespondierende Durchtrittsöffnungen aufweist, verschließbar, indem die Verschlussblende relativ zu dem Stützelement verdreht wird, wodurch die Durchtrittsöffnungen in dem Stützelement sowie in der Verschlussblende entweder vollständig, teilweise oder nicht in Überdeckung gebracht werden. Die Einheit aus rohrförmiger Strömungsführungsvorrichtung, Stützelement und Verschlussblende weist die Funktion eines Trimmstellers auf, da mittels dieser in Abhängigkeit von der Verschlussstellung der Verschlussblende das zu dem Verdichterlaufrad strömende Gas vollständig über den zentralen Strömungsbereich und damit auf einen nabennahen Abschnitt des Eintrittsquerschnitts des Verdichterlaufrads oder in einem in Abhängigkeit von der Stellung der Verschlussblende mehr oder weniger großen Verhältnis zusätzlich auch über den peripheren Strömungsbereich auf einen randseitigen Abschnitt des Eintrittsquerschnitts des Verdichterlaufrads geleitet werden kann.
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Eine weitere alternative Ausgestaltung eines Verdichters mit einem Trimmsteller ist in der
WO 2015/091268 A1 offenbart.
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Ein Problem, das sich aus der im Fahrzeugbau üblichen Ausgestaltung von Verdichtern in Form von Turboverdichten ergibt, ist die Möglichkeit einer Rückströmung von bereits verdichtetem Frischgas durch die nur unvollständige Separierung der Hochdruck- und der Niederdruckseiten voneinander durch das Verdichterlaufrad. Dies kann sich insbesondere dann als problematisch zeigen, wenn sich auf der Hochdruckseite des Frischgasstrangs, der sogenannten Ladeluftstrecke, temporär ein ungewöhnlich großer Überdruck einstellt, wie dies beispielsweise der Fall sein kann, wenn eine in die Ladeluftstrecke integrierte Drosselklappe, die zuvor weit geöffnet war, schnell geschlossen wird. Dies ist insbesondere beim Übergang vom Zug- in den Schubbetrieb der Brennkraftmaschine der Fall. Die Trägheit des Systems „Brennkraftmaschine“ kann dann dazu führen, dass der Verdichter noch weiter mit gegebenenfalls hoher Verdichtungsleistung in die bereits durch die geschlossene Drosselklappe unterbrochene Ladeluftstrecke fördert, was zu einem entsprechend hohen Verdichtungsenddruck und einer entsprechend hohen Druckdifferenz der Gasdrücke in einerseits dem Hochdruckraum und andererseits dem Niederdruckraum des Verdichters führt.
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Eine Rückströmung von bereits verdichtetem Frischgas über das Verdichterlaufrad auf die Niederdruckseite des Verdichters kann sich wellenförmig ausbreiten, was zu einer entsprechenden Schwingungsanregung des Verdichtergehäuses und insbesondere eines an einen Verdichtereinlass angeschlossenen Gasführungsrohrs des Frischgasstrangs führen kann. Die mit dieser Schwingungsanregung verbundene Geräuschentwicklung wird vielfach auch als „Entlastungsfauchen“ bezeichnet.
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Ein solches Entlastungsfauchen kann durch die Integration einer Schubumluftvorrichtung in einen Verdichter vermieden werden. Hierbei handelt es sich um eine mittels eines (Schubumluft-)Ventils bedarfsweise freigebbare oder verschließbare Bypassleitung, die einen Abschnitt des Strömungspfads im Verdichter stromab des Verdichterlaufrads mit einem Abschnitt stromauf des Verdichterlaufrads verbindet. Eine relativ hohe Druckdifferenz über dem Verdichterlaufrad, die ansonsten zu einem Entlastungsfauchen führen könnte, kann mittels einer solchen Schubumluftvorrichtung durch ein entsprechendes Öffnen des Schubumluftventils reduziert werden. Die Kosten für eine solche Schubumluftvorrichtung sind relativ hoch.
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Weiterhin kann eine Integration schalldämmender Elemente in den dem Verdichtereinlass stromauf gelegenen Abschnitt des Frischgasstrangs vorgesehen sein, die die Auswirkungen der Schwingungsanregung und damit ein Entlastungsfauchen verringern können. Dies ist aber ebenfalls mit relativ hohen Kosten verbunden. Zudem erfordert diese Maßnahme üblicherweise einen relativ großen Bauraum.
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Die
WO 2016/188712 A1 beschreibt in verschiedenen Ausgestaltungen Verdichter für Brennkraftmaschinen, bei denen jeweils in einen stromauf eines Verdichterlaufrads gelegenen Ansaugabschnitt eines Gehäuses ein Absatz oder mehrere Absätze integriert sind, durch den/die ein Entlastungsfauchen verhindert oder vermindert werden soll.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter zu entwickeln, der sich durch ein möglichst optimales Betriebsverhalten, insbesondere hinsichtlich der Breite des Verdichterkennfelds sowie des transienten und des akustischen Verhaltens auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verdichters gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Abgasturbolader mit einem solchen Verdichter sowie eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Verdichter sind Gegenstände der Patentansprüche 7 und 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verdichters und damit des erfindungsgemäßen Abgasturboladers und/oder der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist ein Verdichter, insbesondere ein Radialverdichter, vorgesehen, der ein ein- oder mehrteiliges Gehäuse, das einen Strömungsraum, innerhalb dessen ein Verdichterlaufrad drehbar gelagert ist, und einen Einlasskanal, der einen Einlass des Verdichters mit dem Strömungsraum verbindet, ausbildet, wobei in dem Einlasskanal eine Strömungsführungsvorrichtung angeordnet ist, durch die zumindest ein Abschnitt des Einlasskanals in einen zentralen Strömungsbereich und einen (den zentralen Strömungsbereich umgebenden) peripheren Strömungsbereich unterteilt ist, die beide in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads in den Strömungsraum übergehen. Weiterhin ist vorgesehen, dass der periphere Strömungsbereich mittels einer Verschlussvorrichtung verschließbar ausgebildet ist.
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„Verschließbar“ ist dabei so zu verstehen, dass für die Verschlussvorrichtung zumindest eine Verschlussstellung vorgesehen ist, in der der periphere Strömungsbereich durch die Verschlussvorrichtung (relativ, d.h. im Vergleich zu einer Öffnungsstellung, weitgehend und insbesondere möglichst vollständig) verschlossen ist, und eine Öffnungsstellung vorgesehen ist, in der der periphere Strömungsbereich durch die Verschlussvorrichtung (relativ, d.h. im Vergleich zu der Verschlussstellung, weitgehend und vorzugsweise so weit wie möglich) freigegeben ist.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass für die Verschlussvorrichtung mehr als zwei Stellungen vorgesehen sind. Beispielsweise können eine Verschlussstellung, in der die Verschlussvorrichtung den peripheren Strömungsbereich möglichst vollständig verschließt, eine Öffnungsstellung, in der die Verschlussvorrichtung den peripheren Strömungsbereich möglichst weitgehend freigibt, und eine oder mehrere Zwischenstellungen vorgesehen sein, in der die Verschlussvorrichtung den peripheren Strömungsbereich in einem mehr oder weniger großen Ausmaß (teilweise) verschließt, vorgesehen sein.
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Ein erfindungsgemäßer Verdichter ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dem Verdichterlaufrad benachbart gelegener Endabschnitt der Strömungsführungsvorrichtung längsaxial verschiebbar ausgebildet ist, wobei der periphere Strömungsbereich in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads in einer Verschlussstellung der Strömungsführungsvorrichtung durch diesen Endabschnitt (relativ, d.h. im Vergleich zu einer Öffnungsstellung, weitgehend und insbesondere möglichst vollständig) verschlossen ist und in einer Öffnungsstellung (relativ, d.h. im Vergleich zu der Verschlussstellung, weitgehend) freigegeben ist.
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Grundsätzlich besteht dabei die Möglichkeit, dass für die Strömungsführungsvorrichtung mehr als zwei (Verschiebe-)Stellungen vorgesehen sind. Beispielsweise können eine Verschlussstellung, in der die Strömungsführungsvorrichtung den peripheren Strömungsbereich in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads möglichst vollständig verschließt, eine Öffnungsstellung, in der die Strömungsführungsvorrichtung den peripheren Strömungsbereich in diesem Bereich so weit wie möglich freigibt, und eine oder mehrere Zwischenstellungen vorgesehen sein, in der die Strömungsführungsvorrichtung den peripheren Strömungsbereich in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads in einem mehr oder weniger großen Ausmaß (teilweise) verschließt, vorgesehen sein.
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Als „Eintrittsebene“ des Verdichterlaufrads wird erfindungsgemäß die dem Verdichtereinlass nächstgelegene, senkrecht zu der Rotationsachse des Verdichterlaufrads ausgerichtete Ebene verstanden, die von Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads definiert wird, indem zumindest ein punktförmiger Abschnitt eines, mehrerer oder aller Eintrittskanten dieser Laufradschaufeln innerhalb dieser Ebene angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Strömungsführungsvorrichtung in zumindest einem Abschnitt mindestens ein, vorzugsweise eine Mehrzahl von in den zentralen Strömungsbereich ragenden, vorsprungartigen Strömungswiderstandselementen aufweist. Das oder die Strömungswiderstandselemente kann/können dabei vorzugsweise einen Verlauf parallel zur Längsachse der Strömungsführungsvorrichtung aufweisen. Sofern mehrere Strömungswiderstandselemente in dem mindestens einen Abschnitt vorgesehen sind, sind diese, vorzugsweise in gleichmäßiger Teilung, in Umfangsrichtung bezüglich der Längsachse der Strömungsführungsvorrichtung verteilt angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst neben einem erfindungsgemäßen Verdichter zumindest noch eine Turbine, die ein in einem Turbinengehäuse drehbar gelagertes Turbinenlaufrad aufweist, wobei das Turbinenlaufrad drehantreibend, insbesondere über eine Welle, mit dem Verdichterlaufrad verbunden ist.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor (vorzugsweise einen Ottomotor, möglich ist aber beispielsweise auch ein Dieselmotor oder eine Kombination daraus, d.h. z.B. ein Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung), einen Frischgasstrang, über den Frischgas einem oder mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors zuführbar ist, einen Abgasstrang, über den Abgas, das durch eine Verbrennung von Gemischmengen, die aus den Brennräumen zugeführtem Kraftstoff und Frischgas bestehen, entstanden ist, abführbar ist, sowie einen in den Frischgasstrang integrierten, erfindungsgemäßen Verdichter oder einen erfindungsgemäßen Abgasturbolader, wobei der Verdichter in den Frischgasstrang und die Turbine, sofern vorhanden, in den Abgasstrang integriert ist/sind.
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Durch die Verschiebbarkeit der Strömungsführungsvorrichtung oder zumindest des dem Verdichterlaufrad benachbarten Endabschnitts davon kann, in der Öffnungsstellung der Strömungsführungsvorrichtung, erreicht werden, dass sowohl über den zentralen Strömungsbereich als auch über den peripheren Strömungsbereich ein möglichst großer Massenstrom an Frischgas durch den Einlasskanal zu dem Verdichterlaufrad geführt werden und in das Verdichterlaufrad über im Wesentlichen dessen gesamter Eintrittsfläche eintreten kann. Dies kann insbesondere bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit relativ hohen Drehzahlen vorteilhaft sein, um eine durch die Strömungsführungsvorrichtung bedingte Verschiebung der Stopfgrenze des Verdichterkennfelds hin zu relativ kleinen Massenströmen und/oder eine relevante Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrads zu vermeiden. Andererseits kann in der Verschlussstellung der Strömungsführungsvorrichtung oder zumindest von dessen Endabschnitt eine Ausbildung einer Rückströmblase in dem Einlasskanal und insbesondere in dem peripheren Strömungsbereich verhindert oder zumindest gering gehalten werden. Weiterhin kann, da das dem Verdichterlaufrad zugewandte Ende der Strömungsführungsvorrichtung vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass dieses eine relativ große randseitige Überdeckung des Eintrittsquerschnitts des Strömungsraums und damit der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads bewirkt, insbesondere bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit relativ niedrigen Drehzahlen, eine Fokussierung der Frischgasströmung auf einen zentralen Abschnitt des Verdichterlaufrads mit den bereits beschriebenen Vorteilen realisiert werden.
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Dementsprechend kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebszustand, der durch im Vergleich zu einem zweiten Betriebszustand relativ niedrige Drehzahlen des Verbrennungsmotors (z.B. ≤ 2000 1/Min) gekennzeichnet ist, die Verschlussstellung für die Strömungsführungsvorrichtung eingestellt ist und
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebszustand, der durch relativ hohe Drehzahlen des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, die Öffnungsstellung der Strömungsführungsvorrichtung eingestellt ist.
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Die Erfindung betrifft dabei auch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Zur Durchführung eines solchen Verfahrens kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Steuerungsvorrichtung, die einen zur Verschiebung zumindest des Endabschnitts der Strömungsführungsvorrichtung vorgesehenen Aktor entsprechend ansteuert, aufweisen.
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Durch das oder die erfindungsgemäß vorgesehenen und in den zentralen Strömungsbereich ragenden Strömungswiderstandselemente kann in vorteilhafter Weise eine Störung einer sich wellenförmig ausbreitenden Rückströmung von bereits verdichtetem Frischgas über das Verdichterlaufrad in den Einlasskanal, wie sich dies insbesondere einstellen kann, wenn eine in die Ladeluftstrecke integrierte Drosselklappe, die zuvor weit geöffnet war, schnell geschlossen wird, erreicht werden. Im Ergebnis wird ein Entlastungsfauchen verhindert oder vermindert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ermöglicht, einen erfindungsgemäßen Verdichter oder eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ohne Schubumluftvorrichtung auszubilden, was sich positiv auf die Herstellungskosten auswirken kann.
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In den peripheren Strömungsbereich eines erfindungsgemäßen Verdichters kann eine Motorgehäuseentlüftungsleitung und/oder eine Abgasrückführleitung, insbesondere für eine Niederdruckabgasrückführung, und/oder eine Entlüftungsleitung für eine Tankentlüftung münden. Weiterhin kann der periphere Strömungsbereich in einem stromauf des Einlasses der Motorgehäuseentlüftungsleitung und/oder der Abgasrückführung und/oder der Entlüftungsleitung gelegenen Abschnitt mittels der Verschlussvorrichtung verschließbar ausgebildet sein. Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann dementsprechend eine Abgasrückführleitung umfassen, die einen Abschnitt des Frischgasstrangs, der vorzugsweise stromab einer Turbine (sofern vorhanden) aus dem Abgasstrang abgeht, fluidleitend mit einem Abschnitt des Frischgasstrangs, der stromauf des Verdichterlaufrads angeordnet ist, verbindet. Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine Motorgehäuseentlüftungsleitung, die ein Innenvolumen des Verbrennungsmotors, insbesondere einen Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors, fluidleitend mit dem Frischgasstrang verbindet und die in den peripheren Strömungsbereich des Verdichters mündet, aufweisen. Auch kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine eine von einer Kraftstoffdampffilter eines Kraftstofftanksystems der Brennkraftmaschine kommende und in den Frischgasstrang stromauf des Verdichters mündende Spülgasleitung umfassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters kann vorgesehen sein, dass die Strömungsführungsvorrichtung in einem längsaxial mittig gelegenen Abschnitt mindestens eine Überströmöffnung aufweist. Durch die Verschließbarkeit des peripheren Strömungsbereichs in dem stromauf der gegebenenfalls vorhandenen Mündung(en) der Abgasrückführleitung und/oder der Motorgehäuseentlüftungsleitung und/oder der Spülgasleitung gelegenen Abschnitt mittels der Verschlussvorrichtung kann im Zusammenwirken mit der mindestens einen Überströmöffnung, die die Strömungsführungsvorrichtung vorzugsweise ausbildet, in vorteilhafter Weise eine Erzeugung eines relativ hohen Unterdrucks innerhalb des peripheren Strömungsbereichs und damit auch im Bereich der Mündung(en) der Abgasrückführleitung und/oder der Motorgehäuseentlüftungsleitung und/oder der Spülgasleitung realisiert werden, wodurch ein Überführen von Abgas aus dem Abgasstrang in den Frischgasstrang über die Abgasrückführleitung und/oder ein Überführen von Blow-by-Gas über die Motorgehäuseentlüftungsleitung und/oder ein Einleiten von Spülgas, das im Rahmen einer eines Tankentlüftungsvorgangs beim Spülen eines Kraftstoffdampffilters erzeugt wurde, positiv beeinflusst werden kann. Dies kann zumindest hinsichtlich der Abgasrückführung und der Motorgehäuseentlüftung insbesondere bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in dem ersten Betriebszustand, d.h. mit relativ niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors, vorteilhaft sein, weil dann einerseits der Druck in dem Abgasstrang in der Regel nicht so hoch ist, dass ohne ergänzende Maßnahmen ein ausreichendes Druckgefälle über der Abgasrückführleitung realisiert ist, und andererseits, weil dann auch eine sichere Motorgehäuseentlüftung gewährleistet werden kann.
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Dementsprechend kann für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine weiterhin vorgesehen sein, dass
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in dem ersten Betriebszustand und zusätzlich bei relativ hoher Last, insbesondere ausschließlich bei Volllast (erster Unterbetriebszustand), der periphere Strömungsbereich in dem stromauf der Mündung der Abgasrückführung gelegenen Abschnitt freigegeben ist und
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in dem ersten Betriebszustand und zusätzlich bei relativ niedriger Last, insbesondere immer mit der Ausnahme bei Volllast (zweiter Unterbetriebszustand), der periphere Strömungsbereich in dem stromauf des Einlasses der Abgasrückführung gelegenen Abschnitt verschlossen ist.
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Hierzu kann die Steuerungsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine einen zur Verstellung der Verschlussvorrichtung vorgesehenen Aktor, bei dem es sich vorzugsweise um denselben Aktor handelt, der auch zur Verschiebung der Strömungsführungsvorrichtung eingesetzt wird, entsprechend ansteuern.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, dass der erste Betriebszustand in mehr als die zwei definierten Unterbetriebszustände unterteilt ist, die sich durch das Ausmaß, in dem der periphere Strömungsbereich durch die Verschlussvorrichtung verschlossen beziehungsweise freigegeben wird, unterscheiden. Eine Einstellung der verschiedenen Unterbetriebszustände kann dann insbesondere in Abhängigkeit von dem Betrieb des Verbrennungsmotors mit unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Lasten erfolgen.
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Ebenso besteht die Möglichkeit, dass der zweite Betriebszustand in zwei oder mehr Unterbetriebszustände unterteilt ist, die sich durch das Ausmaß, in dem der periphere Strömungsbereich in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads mittels des Endabschnitts der Strömungsführungsvorrichtung verschlossen beziehungsweise freigegeben ist, unterscheiden. Auch dabei kann eine Einstellung der verschiedenen Unterbetriebszustände insbesondere in Abhängigkeit von dem Betrieb des Verbrennungsmotors mit unterschiedlichen Drehzahlen und/oder Lasten erfolgen.
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Sofern ein erfindungsgemäßer Verdichter mindestens eine Überströmöffnung in einem längsaxial mittig gelegenen Abschnitt der Strömungsführungsvorrichtung aufweist, kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Strömungsführungsvorrichtung in längsaxialer Richtung beidseitig, d.h. sowohl stromauf als auch stromab, der Überströmöffnung jeweils einen Abschnitt mit mindestens einem, vorzugsweise einer Mehrzahl von in den zentralen Strömungsbereich ragenden Strömungswiderstandselementen aufweist. Dadurch kann ein Entlastungsfauchen in einem besonders hohen Maße unterdrückt werden.
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Die Verschlussvorrichtung eines erfindungsgemäßen Verdichters kann beispielsweise derjenigen entsprechen, die in der
DE 10 2015 209 704 A1 offenbart ist. Insbesondere kann diese ein mit einem Gehäuse des Verdichters verbundenes Stützelement umfassen, das auch dazu dienen kann, die Strömungsführungsvorrichtung oder zumindest einen Abschnitt davon innerhalb des Einlasskanals positioniert zu halten. In dem Stützelement können eine oder eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die durch eine oder mehrere Verschlussabschnitte voneinander getrennt sind und durch die das Frischgas in den peripheren Strömungsbereich des Einlasskanals strömen kann. Die Durchgangsöffnungen in dem Stützelement können mittels einer vorzugsweise ringscheibenförmigen Verschlussblende, die ebenfalls eine oder mehrere (durch eine oder mehrere Verschlussabschnitte voneinander getrennte) Durchgangsöffnungen aufweist, verschließbar sein, indem die Verschlussblende relativ zu dem Stützelement um eine Rotationsachse verdreht wird, wodurch die Durchgangsöffnungen in dem Stützelement sowie in der Verschlussblende entweder vollständig, teilweise oder nicht in Überdeckung gebracht beziehungsweise die Durchgangsöffnung(en) in dem Stützelement vollständig, mehr oder weniger teilweise oder nicht von dem oder den Verschlussabschnitten der Verschlussblende überdeckt werden.
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Ergänzend oder alternativ zu einer Ausgestaltung der Verschlussvorrichtung mit einem Stützelement sowie mit einer dazu drehbaren Verschlussblende kann auch vorgesehen sein, dass die Verschlussvorrichtung ein vorzugsweise plattenförmiges und weiterhin bevorzugt kreisringförmiges Verschlusselement ausbildet, das in Richtung einer Längsachse des Einlasskanals (mittels eines Aktors) verschiebbar ist, wobei in einer Öffnungsstellung des Verschlusselements ein ringförmiger Spalt zwischen dem Verschlusselement und der von dem Einlasskanal ausgebildeten Wandung ausgebildet ist, der in einer Verschlussstellung des Verschlusselements minimiert und insbesondere möglichst vollständig geschlossen ist.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das an das Verdichterlaufrad angrenzende Ende der Strömungsführungsvorrichtung, das weiterhin bevorzugt eine in einer Ebene, die senkrecht zu der Längsachse ausgerichtet ist, liegende, umlaufende Kante aufweist, in der Verschlussstellung der Strömungsführungsvorrichtung in einem möglichst kleinen Abstand, der insbesondere auch null betragen kann, zu der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine besonders vorteilhafte, randseitige Überdeckung der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads erreicht werden, wodurch in einem besonderen hohen Maße die Ausbildung einer Rückströmblase unterdrückt werden kann.
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Vorteilhaft insbesondere hinsichtlich der Lage der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds eines erfindungsgemäßen Verdichters kann sich auswirken, wenn der Öffnungsquerschnitt des zentralen Strömungsbereichs an dem an das Verdichterlaufrad angrenzenden Ende der Strömungsführungsvorrichtung zwischen 60% und 70% der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads beträgt. Als „Eintrittsfläche“ des Verdichterlaufrads wird dabei diejenige Fläche innerhalb einer Eintrittsebene des Verdichterlaufrads verstanden, die von Eintrittskanten der Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads insgesamt (d.h. über einer vollen Umdrehung des Verdichterlaufrads) überdeckt wird, verstanden.
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Um eine möglichst vorteilhafte Anströmung des Verdichterlaufrads auch über den peripheren Strömungsbereich zu erreichen, sollte vorzugsweise vorgesehen sein, dass in der Öffnungsstellung der Strömungsführungsvorrichtung das an das Verdichterlaufrad angrenzende Ende der Strömungsführungsvorrichtung den peripheren Strömungsbereich mit einer Spaltbreite von mindestens 10 mm, vorzugsweise von mindestens 15 mm freigibt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein radbasiertes und nicht schienengebundenes Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW), mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann die Brennkraftmaschine insbesondere zur direkten oder indirekten Bereitstellung der Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1: in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine;
- 2: einen perspektivischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter, bei dem sich sowohl die Strömungsführungsvorrichtung als auch die Verschlussvorrichtung in einer Verschlussstellung befinden;
- 3: eine perspektivische Ansicht von Teilen des Verdichters gemäß der 2;
- 4: einen perspektivischen Längsschnitt durch den Verdichter mit der Strömungsführungsvorrichtung in der Verschlussstellung und der Verschlussvorrichtung in einer Öffnungsstellung;
- 5: eine perspektivische Ansicht von Teilen des Verdichters gemäß der 4;
- 6: einen perspektivischen Längsschnitt durch den Verdichter, bei dem sich sowohl die Strömungsführungsvorrichtung als auch die Verschlussvorrichtung in einer Öffnungsstellung befinden; und
- 7: eine perspektivische Ansicht von Teilen des Verdichters gemäß der 6.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor 10, der eine Mehrzahl von Zylindern 12 ausbildet. Die Zylinder 12 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume, in denen Frischgas, bei dem es sich hauptsächlich oder ausschließlich um Luft handeln kann, gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung 14 (Motorsteuerung), mittels Injektoren 16 direkt in die Brennräume eingespritzt. Das Verbrennen der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen führt zu zyklischen Auf- und Ab-Bewegungen der Kolben, die wiederum in bekannter Weise über nicht dargestellte Pleuel auf eine ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen werden, wodurch die Kurbelwelle rotierend angetrieben wird.
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Das Frischgas wird dem Verbrennungsmotor 10 über einen Frischgasstrang zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung 18 aus der Umgebung angesaugt, in einem Luftfilter 20 gereinigt und anschließend in einen erfindungsgemäßen Verdichter 22, der Teil eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Verdichters 22 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 24 abgekühlt und den Brennräumen zugeführt. Der Antrieb des Verdichters 22 erfolgt mittels einer Turbine 26 des Abgasturboladers, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung von Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 entstanden ist, wird über den Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 10 abgeführt und durchströmt dabei die Turbine 26. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads (nicht dargestellt), das über eine Welle 28 drehfest mit einem Verdichterlaufrad 30 (in der 1 nicht dargestellt) des Verdichters 22 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads wird somit auf das Verdichterlaufrad 30 übertragen.
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Um in einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit unterschiedlichen Lasten und unterschiedlichen Drehzahlen eine möglichst optimale Nutzung der Enthalpie des Abgases zur Erzeugung von Verdichtungsleistung mittels des Abgasturboladers realisieren zu können, kann die Turbine 26 des Abgasturboladers optional eine mittels der Steuerungsvorrichtung 14 ansteuerbare Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG) 32 aufweisen. Diese kann in bekannter Weise eine Mehrzahl von in einem Einlass der Turbine 26 angeordneten Leitschaufeln (nicht dargestellt) umfassen, die individuell drehbar ausgebildet sind, wobei diese gemeinsam mittels einer Verstellvorrichtung (nicht dargestellt) verstellbar sind. In Abhängigkeit von den Drehstellungen der Leitschaufeln verengen diese den freien Strömungsquerschnitt in dem Einlass der Turbine mehr oder weniger und beeinflussen zudem den Abschnitt der primären Anströmung des Turbinenlaufrads und die Ausrichtung dieser Anströmung.
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Stromab des Verdichters 22 ist in die Ladeluftstrecke, d.h. in den Abschnitt des Frischgasstrangs, der zwischen dem Verdichter 22 und dem Verbrennungsmotor 10 gelegen ist, eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 14 ansteuerbare Regelklappe (Drosselklappe) 34 integriert.
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Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Abgasrückführleitung 36 für eine Niederdruckabgasrückführung, durch die Abgas aus einem Abschnitt des Abgasstrangs, der stromab der Turbine 26 und insbesondere auch stromab einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung 38, beispielsweise eines Partikelfilters, gelegen ist, abgezweigt und in einen Abschnitt des Frischgasstrangs stromauf des Verdichterlaufrads 30, konkret in einen Einlasskanal 40 des Verdichters 22, eingeleitet werden kann. Die Menge des über die Abgasrückführleitung 36 rückzuführenden Abgases kann dabei mittels eines Regelventils 42, das mittels der Steuerungsvorrichtung 14 ansteuerbar ist, gesteuert oder geregelt werden.
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Die Brennkraftmaschine umfasst weiterhin eine Motorgehäuseentlüftungsleitung 44, mittels der Entlüftungsgas aus einem oder mehreren Hohlräumen, beispielsweise aus einem von einem Zylinderkurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 10 ausgebildeten Kurbelwellenraum, abgesaugt und stromauf des Verdichterlaufrads 30 in den Frischgasstrang überführt werden kann. In die Motorgehäuseentlüftungsleitung 44 kann eine Abscheidevorrichtung (nicht dargestellt) integriert sein, um in dem Entlüftungsgas enthaltene Flüssigkeiten und Feststoffe weitgehend zurückzuhalten.
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Die 2 bis 7 zeigen in verschiedenen Darstellungen eine Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen (Radial-)Verdichters 22, wie er beispielsweise als Teil eines Abgasturboladers in einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 zum Einsatz kommen kann.
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Der Verdichter 22 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 46. Das Gehäuse 46 bildet einen Strömungsraum 48 aus, innerhalb dessen das Verdichterlaufrad 30 drehbar gelagert ist. Einlassseitig ist der Strömungsraum 48 durch eine in einer Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 liegende Eintrittsöffnungsfläche begrenzt. Über den ebenfalls von dem Gehäuse 46 des Verdichters 22 ausgebildeten Einlasskanal 40 kann Frischgas von einem Verdichtereinlass 104 zu dem Verdichterlaufrad 30 geführt werden. Auslassseitig wird der Strömungsraum 48 von einer um Austrittskanten von Laufradschaufeln des Verdichterlaufrads 30 umlaufenden „Austrittsebene“ begrenzt. Dort schließt sich ein ebenfalls um die Austrittskanten der Laufradschaufeln umlaufender Diffusorraum 50 und daran anschließend eine Verdichtervolute 52 an. Aus der Verdichtervolute 52 geht ein Verdichterauslass 54 ab.
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Innerhalb des Einlasskanals 40 ist eine Strömungsführungsvorrichtung 56 angeordnet. Die Strömungsführungsvorrichtung 56 umfasst einen relativ kurzen, rohrförmigen Anfangsabschnitt 58 und einen ebenfalls relativ kurzen, ebenfalls rohrförmigen Endabschnitt 60. Die Längsachsen des Anfangsabschnitts 58 und des Endabschnitts 60 und damit die Längsachse 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 sind koaxial bezüglich einer Rotationsachse 64 des Verdichterlaufrads 30 angeordnet ist. Die Strömungsführungsvorrichtung 56 unterteilt den diese aufnehmenden Abschnitt des Einlasskanals 40 in einen von dem Anfangsabschnitt 58 und dem Endabschnitt 62 innenseitig begrenzten, zentralen Strömungsbereich 66 und einen außen liegenden, peripheren Strömungsbereich 68. Das dem Verdichterlaufrad 30 benachbarte Ende der Strömungsführungsvorrichtung 56 wird von einer umlaufenden Kante des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 gebildet, die in einer senkrecht zu der Längsachse 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 beziehungsweise zu der Rotationsachse 64 des Verdichterlaufrads 30 ausgerichteten Ebene gelegen ist. Diese Ebene ist in einer Verschlussstellung der Strömungsführungsvorrichtung 56 (vgl. 2 und 4) in einem möglichst kleinen Abstand zu der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 angeordnet, wobei ein kleiner Abstand vorgesehen ist, der jedoch ausreichend groß ist, um trotz zulässiger Form- und Lagetoleranzen der diesbezüglich relevanten Bauteile sowie trotz der für den Betrieb des Verdichters 26 zu erwartenden, thermisch bedingten Dehnungen stets einen Kontakt des dem Verdichterlaufrad 30 zugewandten Endes der Strömungsführungsvorrichtung 56 mit den Eintrittskanten des Verdichterlaufrads 30 zu vermeiden.
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Der Anfangsabschnitt 58 der Strömungsführungsvorrichtung 56 ist integral mit einer Verschlussvorrichtung 70 ausgebildet, mittels der ein Überströmen von Frischgas aus dem stromauf (bezogen auf die in Richtung des Verdichterlaufrads 30 weisende Betriebsströmungsrichtung des Frischgases in dem Einlasskanal 40) von dieser gelegenen Abschnitt des Einlasskanals 40 in den peripheren Strömungsbereich 68 bedarfsweise ermöglicht wird. Hierzu umfasst die Verschlussvorrichtung 70 ein unbeweglich innerhalb des Einlasskanals 40 angeordnetes Stützelement 72, das einen vorderen, ringscheibenförmigen Abschnitt umfasst, in dem eine Mehrzahl von (im vorliegenden Ausgestaltungsbeispiel konkret drei) Durchgangsöffnungen 74 ausgebildet sind, die in Umfangsrichtung jeweils von Verschlussabschnitten 106 des Stützelements 72 begrenzt sind. Auf der stromabwärts gelegenen Seite und demnach in den peripheren Strömungsbereich 68 hinein ragend bilden diese Verschlussabschnitte 106 des Stützelements 72 als Volumenkörper ausgebildete Leitelemente 76 aus, die Teil einer Leitvorrichtung des Verdichters 22 sind. Die Leitvorrichtung beziehungsweise die Leitelemente 76 dienen u.a. der Erzeugung eines Dralls für die Strömung desjenigen Teils des Frischgases, der bei geöffneter Verschlussvorrichtung 70 in den peripheren Strömungsbereich 68 eingeströmt ist. Dabei ist die Leitvorrichtung derart ausgebildet, dass diese einen Drall bewirkt, dessen Dreh- beziehungsweise Drallrichtung der für das Verdichterlaufrad 30 vorgesehenen Drehrichtung entgegengesetzt ist. Die Leitelemente 76 bilden jeweils zwei Leitflächen 78 aus, von denen jeweils eine im Wesentlichen parallel und radial bezüglich der Längsachse 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 und damit auch bezüglich der dazu koaxialen Längsachse 62 des Einlasskanals 40 ausgerichtet ist, während die jeweilige andere Leitfläche 78 (in Richtung des gewünschten Dralls der Frischgasströmung) schräg bezüglich der Längsachse 62 des Einlasskanals 40 verläuft und zudem eine spiralförmig gewundene Form aufweist. Radial innen liegend bilden die Leitelemente jeweils eine Innenfläche aus, die eine um die Längsachse 62 gekrümmte Form aufweist, wobei diese Innenflächen bündig in die zylindrische Innenfläche des Anfangsabschnitts 58 der Strömungsführungsvorrichtung 56 übergehen.
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Die Verschlussvorrichtung 70 umfasst weiterhin noch eine ringscheibenförmige Verschlussblende 80. Die Durchgangsöffnungen 74 in dem Stützelement 72 können mittels der Verschlussblende 80, die ebenfalls Durchgangsöffnungen 82 aufweist, verschlossen oder freigegeben werden, indem die Verschlussblende 80 relativ zu dem Stützelement 72 verdreht wird, wodurch die gleichgroßen sowie gleichartig geformten Durchgangsöffnungen 74, 82 in dem Stützelement 72 sowie in der Verschlussblende 80 entweder vollständig (vgl. 6 und 7), teilweise (vgl. 4 und 5) oder nicht (vgl. 2 und 3) in Überdeckung gebracht werden. Ein Verdrehen der Verschlussblende 80 kann mittels eines Aktors (nicht dargestellt) erfolgen, der hierzu an einem mit der Verschlussblende 80 verbundenen Verstellhebel 84 (vgl. 3, 5 und 7) angreifen kann. Der Aktor kann dabei von der Steuerungsvorrichtung 14 einer Brennkraftmaschine gemäß der 1 angesteuert werden. Die zwischen den Durchgangsöffnungen 82 angeordneten Verschlussabschnitte 86 der Verschlussblende 80 weisen radial verlaufende Ränder auf, die in einem relativ großen Radius abgerundet ausgebildet sind, um die durch diese bewirkten Strömungsverluste möglichst gering zu halten. Gleiches gilt für die stirnseitige, umlaufende Kante des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56.
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Der Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 wird von einer Mehrzahl von (konkret von vier) Haltestreben 88 innerhalb des Einlasskanals 40 positioniert gehalten. Diese Haltestreben 88 erstrecken sich, ausgehend von dem Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56, schräg bezüglich der Längsachse 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 nach außen weisend bis zu einem rückseitigen Ende einer rohrförmigen Schiebehülse 90, die außenseitig an einem Abschnitt der den Einlasskanal 40 begrenzenden Wandung des Gehäuses 46 anliegt und innenseitig zur Lagerung der Verschlussvorrichtung 70 vorgesehen ist. Dabei ist die Lagerung der Schiebehülse 90 innerhalb des Gehäuses 46 derart gewählt, dass diese und damit der Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 in Grenzen längsaxial verschiebbar sind, gleichzeitig jedoch deren Verdrehen verhindert ist. Dies ist dadurch realisiert, dass sich mehrere Schrauben 92, die primär der unbeweglichen Positionierung des Stützelements 72 innerhalb des Einlasskanals 40 dienen, durch in der Schiebehülse 90 ausgebildete, parallel zu der Längsachse 62 des Einlasskanals 40 verlaufende Langlöcher 94 geführt sind (vgl. 3, 5 und 7).
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Sowohl eine Verschiebung des Endabschnitts 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 als auch ein Verdrehen der Verschlussblende 80 der Verschlussvorrichtung 70 kann durch ein Verschieben des Verstellhebels 84 mittels des Aktors realisiert werden, indem der fest mit der Außenseite der Verschlussblende 80 verbundene Verstellhebel 84 in einer von der Schiebehülse 90 ausgebildeten Führungsöffnung 96 geführt ist. Diese Führungsöffnung 96 umfasst zwei abgewinkelt ineinander übergehende Langlöcher, von denen ein erstes exakt in Umfangsrichtung und das zweite schräg beziehungsweise spiralförmig bezüglich der Längsachse 62 der Strömungsführungsvorrichtung 56 verläuft. Dadurch wird erreicht, dass in einem ersten Abschnitt eines Bewegungsbereichs, der mittels des Aktors für den Verstellhebel 84 und damit für die Verschlussblende 80 erzielbar ist, lediglich die Verschlussblende 80 verdreht wird, die Schiebehülse 90 und damit der Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 jedoch nicht axial verschoben werden. Die 2 und 3 einerseits sowie die 4 und 5 andererseits zeigen die entsprechenden Endstellungen für die Verstellbarkeit der Verschlussblende 80 in diesem Bewegungsbereich des Verstellhebels 84. Erst in dem zweiten Abschnitt des Bewegungsbereichs für den Verstellhebel 84, bei dem dieser in dem schrägen beziehungsweise spiralförmigen Langloch der Führungsöffnung 96 geführt ist, bewirkt eine Bewegung des Verstellhebels 84 sowohl ein Verdrehen der Verschlussblende 80 als auch ein axiales Verschieben der Schiebehülse 90 und damit des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56. Dies wird durch einen Vergleich der Positionen der Verschlussblende 80 sowie der Schiebehülse 90 mit dem von dieser geführten Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 in einerseits den 4 und 5 und andererseits den 6 und 7 verdeutlicht.
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Das Stützelement 72 der Verschlussvorrichtung 70, der den stromabwärts gelegenen Teil des Anfangsabschnitts 58 der Strömungsführungsvorrichtung 56 ausbildet, begrenzt zusammen mit dem Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 eine vollumfänglich umlaufende Überströmöffnung 98, die ein Überströmen von Frischgas und/oder von rückgeführtem Abgas und/oder von Blow-by-Gas aus dem peripheren Strömungsbereich 68 in den zentralen Strömungsbereich 66 ermöglicht.
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Da insbesondere die geschlossenen Abschnitte des Stützelements 72 und der Verschlussblende 80 einen nicht unerheblichen Strömungswiderstand für die Frischgasströmung darstellen, ist vorgesehen, dass der Einlasskanal 40 bis kurz vor der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads 30 beziehungsweise der Eintrittsöffnungsfläche des Strömungsraums 48 ist. Diese relativ große Dimensionierung des Einlasskanals 40 kann dazu beitragen, Strömungsverluste, die insbesondere durch die Verschlussvorrichtung 70 erzeugt werden, zumindest teilweise zu kompensieren. In einem vergleichsweise kurzen Abschnitt des Einlasskanals 40 unmittelbar stromauf der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 verjüngt sich der Einlasskanal 40, indem sich der Außendurchmesser des peripheren Strömungsbereichs 68 kontinuierlich verkleinert.
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Die 2 und 3 zeigen die Strömungsführungsvorrichtung 56 in einer Verschlussstellung, in der durch einen Kontakt ihres Endabschnitts 60 mit der den Einlasskanal 40 begrenzenden Wandung des Gehäuses 46 der periphere Strömungsbereich 68 im Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 vollständig verschlossen ist. Gleichzeitig befindet sich die Verschlussblende 80 der Verschlussvorrichtung 70 in einer Verschlussstellung, wodurch verhindert wird, das Frischgas durch die Durchgangsöffnungen 74, 82 des Stützelements 72 und der Verschlussblende 80 in den peripheren Strömungsbereich 68 einströmen kann. Dieser Funktionszustand des Verdichters 22 ist bei einem Betrieb eines mit dem Verdichter 22 zusammenwirkenden Verbrennungsmotors 10 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit relativ niedrigen Drehzahlen von beispielsweise ≤ 2000 1/min und Lasten, die geringer als Volllast sind, vorgesehen. Das Frischgas wird dann folglich ausschließlich über den zentralen Strömungsbereich 66 dem Verdichterlaufrad 30 zugeführt. Gleichzeitig wird mittels des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 eine randseitige Abdeckung der Eintrittsöffnungsfläche des Strömungsraums 48 und damit auch der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads 30 erreicht. Dadurch kann die Ausbildung einer Rückströmblase in dem Einlasskanal 40 vermieden oder zumindest gering gehalten und eine Fokussierung der Frischgasströmung auf einen nabennahen Abschnitt des Verdichterlaufrads 30 erreicht werden. Dies kann sich positiv auf den Betrieb des Verdichters 22 in einem solchen Betriebszustand der Brennkraftmaschine auswirken.
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Durch das Anströmen des Verdichterlaufrads 30 mittels des Frischgases ausschließlich über den zentralen Strömungsbereich 66 kann weiterhin die Ausbildung eines relativ hohen Unterdrucks in dem peripheren Strömungsbereich 68 realisiert werden, wodurch trotz der relativ geringen Drehzahlen in dem dazugehörigen Betriebszustand der Brennkraftmaschine einerseits ein ausreichend großes Druckgefälle über der in den peripheren Strömungsbereich 68 mündenden Abgasrückführleitung 36 (Mündung nicht sichtbar) realisiert werden kann, um stets ein Rückführen von Abgas in ausreichender Höhe zu ermöglichen. Tatsächlich gesteuert werden kann die Menge des rückzuführenden Abgases dabei mittels eines in die Abgasrückführleitung 36 integrierten Regelventils 42 (vgl. 1). Andererseits stellt der relativ große Unterdruck in dem peripheren Strömungsbereich 68 eine sichere Entlüftung des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors 10 über die mittels eines Anschlussstücks 100 ebenfalls in den peripheren Strömungsbereich 68 mündende Motorgehäuseentlüftungsleitung 44 sicher.
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Die 4 und 5 zeigen die Strömungsführungsvorrichtung 46 wiederum in der Verschlussstellung. Anders als bei dem Funktionszustand gemäß den 2 und 3 befindet sich die Verschlussblende 80 der Verschlussvorrichtung 70 dann jedoch in einer teilweise geöffneten Stellung, so dass Frischgas durch die Durchgangsöffnungen 74, 82 des Stützelements 72 und der Verschlussblende 80 in den peripheren Strömungsbereich 68 einströmen kann. Dieser Funktionszustand des Verdichters 22 ist ebenfalls bei einem Betrieb eines mit dem Verdichter 22 zusammenwirkenden Verbrennungsmotors 10 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit relativ niedrigen Drehzahlen von beispielsweise ≤ 2000 1/min, gleichzeitig jedoch bei Volllast vorgesehen. Das Frischgas wird folglich nicht nur über den zentralen Strömungsbereich 66 sondern auch über den peripheren Strömungsbereich 68 dem Verdichterlaufrad 30 zugeführt. Infolge der Positionierung des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 46 in der Verschlussstellung wird dabei jedoch das gesamte Frischgas wiederum auf einen nabennahen Abschnitt des Verdichterlaufrads 30 fokussiert, da der periphere Strömungsbereich 68 im Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 verschlossen ist. Diejenige Teilströmung des Frischgases, die in den peripheren Strömungsbereich 68 eingeströmt ist, strömt daher noch vor dem Erreichen der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 30 durch die Überströmöffnung 98 in den zentralen Strömungsbereich 66 über.
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Da auch in diesem Funktionszustand des Verdichters 22 gemäß den 4 und 5 eine randseitige Abdeckung der Eintrittsöffnungsfläche des Strömungsraums 48 sowie der Eintrittsfläche des Verdichterlaufrads 30 gegeben ist, kann wiederum beziehungsweise weiterhin die Ausbildung einer Rückströmblase in dem Einlasskanal 40 vermieden oder gering gehalten werden. In diesem Funktionszustand des Verdichters 22 kann insbesondere ein relativ guter Verdichterwirkungsgrad erreicht werden. Dies kann sich insbesondere positiv hinsichtlich des Ansprechverhaltens des Verdichters 22 und damit der Brennkraftmaschine insgesamt auszeichnen. Die (transiente) Leistungsentwicklung der Brennkraftmaschine nach einem Lastsprung, der durch einen plötzlichen Volllastbetrieb bei relativ niedrigen Drehzahlen gekennzeichnet ist, kann dadurch positiv beeinflusst werden.
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In dem Funktionszustand des Verdichters 22 gemäß den 4 und 5 wird in dem peripheren Strömungsbereich 68 aufgrund von dessen abschnittsweiser Durchströmung nur ein relativ geringer Unterdruck erzeugt. Da jedoch für den entsprechenden Betriebszustand der Brennkraftmaschine in der Regel keine oder nur eine sehr geringe Rückführung von Abgas vorgesehen ist, ist dies hinsichtlich der Abgasrückführung unproblematisch. Und für die vorgesehene Motorgehäuseentlüftung ist der relativ geringe Unterdruck in dem peripheren Strömungsbereich 68 weiterhin ausreichend, um in Verbindung mit dem im Betrieb der Brennkraftmaschine innerhalb des Kurbelwellenraums des Verbrennungsmotors 10 herrschenden Überdruck eine sichere Entlüftung des Kurbelwellenraums zu gewährleisten.
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Die 6 und 7 zeigen einen Funktionszustand des Verdichters 22, bei dem sich sowohl die Strömungsführungsvorrichtung 56 als auch die Verschlussvorrichtung 70 in einer Öffnungsstellung befinden. Dadurch kann Frischgas sowohl über den zentralen Strömungsbereich 66 als auch über den peripheren Strömungsbereich 68 dem Verdichterlaufrad 30 zugeführt werden, wobei es über die gesamte Eintrittsfläche in das Verdichterlaufrad 30 einströmen kann. Dieser Funktionszustand des Verdichters 22 ist bei einem Betrieb eines mit dem Verdichter 22 zusammenwirkenden Verbrennungsmotors 10 einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit relativ hohen Drehzahlen von beispielsweise > 2000 1/min, unabhängig von der Last, vorgesehen. Primäres Ziel dieses Funktionszustands des Verdichters 22 ist es, eine möglichst widerstandsarme Anströmung des Verdichterlaufrads 30 zu erreichen, was sich positiv auf den Verdichterwirkungsgrad sowie auf die Lage der Stopfgrenze in dem dazugehörigen Verdichterkennfeld auswirken kann.
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Auch in diesem Funktionszustand wird aufgrund der Durchströmung des peripheren Strömungsbereichs 68 kein oder kein besonders hoher Unterdruck in dem peripheren Strömungsbereich 68 erzeugt. In dem dazugehörigen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (relativ hohe Drehzahlen) ergibt sich jedoch infolge eines entsprechend hohen Drucks im Abgasstrang auch ohne eine solche strömungsbedingte Erzeugung eines Unterdrucks im Einlasskanal 40 des Verdichters 22 ein ausreichendes Druckgefälle über der Abgasrückführleitung 36, um stets die Rückführung einer ausreichend großen Menge von Abgas zu gewährleisten. Die tatsächliche Menge des rückzuführenden Abgases wird dabei betriebspunktabhängig mittels des in die Abgasrückführleitung 36 integrierten Regelventils 42 gesteuert oder geregelt. Weiterhin stellt dann der in dem Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors 10 herrschende Überdruck ein für eine ausreichende Entlüftung erforderliches Druckgefälle über der Motorgehäuseentlüftungsleitung 44 sicher.
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Die Strömungsführungsvorrichtung 56 bildet sowohl in dem Anfangsabschnitt 58 als auch in dem Endabschnitt 60 innenseitig eine Mehrzahl (konkret drei) von Strömungswiderstandselementen 102 aus, die in Form von parallel zu der Längsachse 62 verlaufenden Längsrippen ausgebildet sind und die in den zentralen Strömungsbereich 66 ragen. Die Strömungswiderstandselemente 102 des Anfangsabschnitts 58 erstrecken sich dabei auch über die Innenflächen der daran angrenzenden Leitelemente 76. Die Strömungswiderstandselemente 102 stören im Zusammenwirken mit dem Endabschnitt 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 wirkungsvoll ein Rückströmen von bereits verdichtetem Frischgas über das Verdichterlaufrad 30 in den Einlasskanal 40, wie sich dies insbesondere einstellen kann, wenn die in die Ladeluftstrecke integrierte Regelklappe 34 einer Brennkraftmaschine gemäß der 1, die zuvor weit geöffnet war, schnell geschlossen wird. Dadurch wird ein Entlastungsfauchen verhindert oder vermindert.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass im Bereich jedes der Leitelemente 76 ein Strömungswiderstandselement 102 ausgebildet ist, das beispielsweise in Umfangsrichtung mittig des jeweiligen Leitelements 76 angeordnet sein kann. Die Strömungswiderstandselemente 102 des Endabschnitts 60 der Strömungsführungsvorrichtung 56 können in einer Anzahl, die derjenigen der Strömungswiderstandselemente 102 des Anfangsabschnitts 58 entspricht oder von dieser Anzahl abweicht, vorgesehen sein. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass jeweils ein Strömungswiderstandselement 102 des Anfangsabschnitts 58 und des Endabschnitts 60 einander in Längsrichtung überdecken beziehungsweise koaxiale Längsachsen ausbilden. Möglich ist aber auch, dass die Strömungswiderstandselemente 102 des Anfangsabschnitts 58 und des Endabschnitts 60 zumindest teilweise in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Zylinder
- 14
- Steuerungsvorrichtung
- 16
- Injektor
- 18
- Ansaugmündung
- 20
- Luftfilter
- 22
- Verdichter
- 24
- Ladeluftkühler
- 26
- Turbine
- 28
- Welle
- 30
- Verdichterlaufrad
- 32
- Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung
- 34
- Regelklappe
- 36
- Abgasrückführleitung für eine Niederdruckabgasrückführung
- 38
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 40
- Einlasskanal
- 42
- Regelventil
- 44
- Motorgehäuseentlüftungsleitung
- 46
- Gehäuse des Verdichters
- 48
- Strömungsraum des Verdichters
- 50
- Diffusorraum
- 52
- Verdichtervolute
- 54
- Verdichterauslass
- 56
- Strömungsführungsvorrichtung
- 58
- Anfangsabschnitt der Strömungsführungsvorrichtung
- 60
- Endabschnitt der Strömungsführungsvorrichtung
- 62
- Längsachse der Strömungsführungsvorrichtung / des Einlasskanals
- 64
- Rotationsachse des Verdichterlaufrads
- 66
- zentraler Strömungsbereich des Einlasskanals
- 68
- peripherer Strömungsbereich des Einlasskanals
- 70
- Verschlussvorrichtung
- 72
- Stützelement
- 74
- Durchgangsöffnung des Stützelements
- 76
- Leitelement
- 78
- Leitfläche eines Leitelements
- 80
- Verschlussblende
- 82
- Durchgangsöffnung der Verschlussblende
- 84
- Verstellhebel der Verschlussblende
- 86
- Verschlussabschnitt der Verschlussblende
- 88
- Haltestrebe der Strömungsführungsvorrichtung
- 90
- Schiebehülse
- 92
- Schraube
- 94
- Langloch der Schiebehülse
- 96
- Führungsöffnung der Schiebehülse
- 98
- Überströmöffnung
- 100
- Anschlussstück der Motorgehäuseentlüftungsleitung
- 102
- Strömungswiderstandselement
- 104
- Verdichtereinlass
- 106
- Verschlussabschnitt des Stützelements
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010026176 A1 [0004, 0005]
- DE 102015209704 A1 [0006, 0035]
- WO 2015/091268 A1 [0007]
- WO 2016/188712 A1 [0012]
