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Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Trimmsteller. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Abgasturbolader und eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Verdichter sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
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In einem Verdichter einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug wird das über einen Frischgasstrang einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zuzuführende Frischgas verdichtet. Dabei ist die Anhebung des Drucks des Frischgases von der Drehzahl des Verdichterlaufrads sowie von dem Massenstrom des über das Verdichterlaufrad geführten Frischgases abhängig. In Richtung der sogenannten 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. 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 verlustarme 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 , der
EP 3 018 355 A1 , der
DE 10 2015 209 704 A1 , der
DE 10 2014 225 716 A1 , der
WO 2014/131790 A1 oder der
DE 10 2017 209 598 A1 bekannt ist, dient der Verschiebung der Pumpgrenze eines Verdichterkennfelds in Richtung relativ niedriger Massenströme bei relativ 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 den 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.
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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 dann vorliegenden Anströmung des Verdichterlaufrads möglichst keine zusätzlichen Reibungs- oder Drosselverluste entstehen. Der Verdichterwirkungsgrad und die Breite des Verdichterkennfelds werden deshalb in Richtung der Stopfgrenze nicht in einem relevanten Maße negativ durch einen Trimmsteller beeinflusst.
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Für die Verstellung eines Trimstellers ist ein mittels einer Steuerungsvorrichtung ansteuerbarer Aktor erforderlich. Ein solcher Aktor und dessen Integration in einen Verdichter derart, dass der Aktor verstellend mit dem Trimmsteller zusammenwirken kann, ist bei den bekannten Verdichtern mit Trimmstellern relativ aufwändig gelöst und folglich mit relativ hohen Kosten verbunden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Trimmsteller eines Verdichters auszubilden, der in konstruktiver Hinsicht relativ einfach Weise verstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Verdichters mit Trimmsteller gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Verdichter ist Gegenstand des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen für einen erfindungsgemäßen Verdichter und damit für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einem Trimmsteller eines Verdichters, der eine axial in einem Einlasskanal des Verdichters verschiebbare Strömungsführungsvorrichtung umfasst, wie dies beispielsweise bei dem Trimmsteller gemäß der
DE 10 2014 225 716 A1 oder der
DE 10 2017 209 598 A1 der Fall ist, die Strömungsführungsvorrichtung selbst als beweglichen Teil eines elektromagnetischen Aktors auszubilden und zu nutzen, wodurch auf konstruktiv einfache Weise eine Verstellbarkeit für einen solchen Trimmsteller realisiert werden kann.
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Dementsprechend ist erfindungsgemäß ein Verdichter vorgesehen, wobei dieser ein Gehäuse umfasst, das einen Verdichtungsraum ausbildet, innerhalb dessen ein Verdichterlaufrad drehbar gelagert ist. Weiterhin bildet das Gehäuse einen Einlasskanal aus, der einen Verdichtereinlass mit dem Verdichtungsraum verbindet. Ein erfindungsgemäßer Verdichter umfasst zudem einen Trimmsteller, durch den ein randseitiger Abschnitt des Eintrittsquerschnitts des Verdichterlaufrads in veränderlichem Maße abdeckbar ist, wobei der Trimmsteller eine in dem Einlasskanal axial verschiebbare Strömungsführungsvorrichtung umfasst. In einer Abdeckstellung des Trimmstellers ist die Strömungsführungsvorrichtung in eine relativ nah und insbesondere möglichst nah an dem Eintrittsquerschnitt des Verdichterlaufrads liegende Position verstellt, wodurch der randseitige Abschnitt des Eintrittsquerschnitts abgedeckt und ein Anströmen des Verdichterlaufrads in diesem Abschnitt weitgehend verhindert ist. In einer Freigabestellung befindet sich die Strömungsführungsvorrichtung dagegen in einer relativ weit von dem Eintrittsquerschnitt des Verdichterlaufrads entfernten Position, wodurch dem durch den Einlasskanal zu dem Verdichterlaufrad strömenden Gas ermöglicht wird, das Verdichterlaufrad auch in dem randseitigen Abschnitt des Eintrittsquerschnitts anzuströmen.
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Gekennzeichnet ist ein solcher Verdichter erfindungsgemäß dadurch, dass die Strömungsführungsvorrichtung einen Teil eines elektromagnetischen Aktors, der für eine axiale Bewegung der Strömungsführungsvorrichtung eingerichtet ist, ausbildet, indem in diese eine elektrische Spule integriert ist oder diese als Anker, d.h. als relativ zu der Spule beweglicher Teil des Aktors zumindest teilweise ferromagnetisch ausgebildet ist.
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Der andere Teil (d.h. Anker oder die Spule) des Aktors, der von der Strömungsführungsvorrichtung nicht ausgebildet ist, ist vorzugsweise von dem Gehäuse selbst und insbesondere von einem den Einlasskanal ausbildenden Abschnitt davon ausgebildet beziehungsweise darin integriert, wodurch eine konstruktive besonders einfache und gleichzeitig kompakte Ausgestaltung des Aktors realisiert werden kann. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass die Spule in das Gehäuse integriert ist und die Strömungsführungsvorrichtung dementsprechend zumindest teilweise ferromagnetisch ausgebildet ist. Diese Ausgestaltungsform weist gegenüber einer Ausgestaltungsform, bei der die Spule in die Strömungsführungsvorrichtung integriert ist, den Vorteil einer geringeren konstruktiven Komplexität auf, da keine Notwendigkeit besteht, die beweglich innerhalb des Einlasskanals angeordnete Strömungsführungsvorrichtung elektrisch mit einer Energiequelle beziehungsweise einer Steuerungsvorrichtung zu verbinden, um die Spule bedarfsweise zu bestromen.
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Als „Eintrittsebene“ des Verdichterlaufrads wird erfindungsgemäß die bezüglich des Trimmstellers am nächsten gelegene, 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. Der „Eintrittsquerschnitt“ des Verdichterlaufrads ist dann der in dieser Eintrittsebene gelegene Öffnungsquerschnitt des Verdichtungsraums.
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Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine umfasst zumindest einen Verbrennungsmotor (insbesondere einen (selbstzündenden und qualitätsgeregelten) Dieselmotor oder einen (fremdgezündeten und quantitätsgeregelten) Ottomotor oder eine Kombination daraus, d.h. z.B. einen Verbrennungsmotor mit homogener Kompressionszündung), einen Frischgasstrang, über den dem Verbrennungsmotor Frischgas zuführbar ist, einen Abgasstrang, über den Abgas von dem Verbrennungsmotor abführbar ist, und einen in den Frischgasstrang integrierten, erfindungsgemäßen Verdichter, der gegebenenfalls Teil eines Abgasturboladers ist. Ein solcher Abgasturbolader würde dann zusätzlich noch eine Turbine umfassen, die in den Abgasstrang integriert wäre.
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Vorzugsweise umfasst eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch eine Steuerungsvorrichtung, die den Aktor derart ansteuert, dass
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem ersten Betriebszustand, der durch relativ niedrige Drehzahlen des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, die Abdeckstellung des Trimmstellers beziehungsweise die Abdeckposition der Strömungsführungsvorrichtung eingestellt ist und
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebszustand, der durch relativ hohe Drehzahlen des Verbrennungsmotors gekennzeichnet ist, die Freigabestellung des Trimmstellers beziehungsweise die Freigabeposition der Strömungsführungsvorrichtung eingestellt ist.
Dadurch kann eine vorteilhafte Beeinflussung des Betriebsverhaltens des Verdichters mittels des Trimmstellers realisiert werden.
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Neben dem Vorteil einer konstruktiv einfachen und auch hinsichtlich des erforderlichen Bauraums vorteilhaften Ausgestaltung des Aktors des Trimmstellers eines erfindungsgemäßen Verdichters ist ein weiterer Vorteil hervorzuheben, der aus der Erzeugung von Abwärme infolge einer Bestromung der Spule, die für ein Verstellen des Trimmstellers vorgesehen ist, resultiert. Diese Abwärme kann nämlich dadurch, dass die axial verschiebbare Strömungsführungsvorrichtung selbst Bestandteil des Aktors ist, in vorteilhafter Weise genutzt werden, um bei einem Kaltstart einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C eine Vereisung des Trimmstellers, die dessen Verstellung behindert, aufzulösen beziehungsweise aufschmelzen. Eine solche Vereisung kann sich insbesondere aufgrund von Kondensat, das sich zuvor innerhalb des Einlasskanals angesammelt hat, ausgebildet haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters kann vorgesehen sein, dass die Strömungsführungsvorrichtung ein ringförmiges Unterteilungselement umfasst, durch das zumindest ein Abschnitt des Einlasskanals in einen zentralen Strömungsbereich und einen peripheren Strömungsbereich unterteilt ist. Der zentrale Strömungsbereich und der periphere Strömungsbereich können dabei vorzugsweise beide in dem Bereich der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads in den das Verdichterlaufrad aufnehmenden Verdichtungsraum des Verdichters übergehen. Das Unterteilungselement kann dabei vorzugsweise auch dazu dienen, den randseitigen Abschnitt des Eintrittsquerschnitts in der Abdeckstellung des Trimmstellers abzudecken. Durch eine solche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verdichters kann insbesondere eine vorteilhafte Anströmung des Verdichterlaufrads in der Freigabestellung des Trimmstellers realisiert werden, bei der der in der Abdeckstellung abgedeckte, randseitige Abschnitt des Eintrittsquerschnitts mittels Gas, das über den peripheren Strömungsbereich zu dem Verdichterlaufrad strömt, angeströmt wird.
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Gemäß einer insbesondere in konstruktiver Hinsicht vorteilhaften Ausgestaltungsform eines solchen erfindungsgemäßen Verdichters kann die Strömungsführungsvorrichtung weiterhin noch eine mit dem Unterteilungselement verbundene und dieses vorzugsweise zumindest teilweise umgebende Führungshülse umfassen, die gleitend in dem Gehäuse, insbesondere an einer den Einlasskanal begrenzenden Wandung des Gehäuses, gelagert ist. Dabei kann die Führungshülse besonders bevorzugt als Anker des Aktors zumindest teilweise ferromagnetisch ausgebildet sein oder die Spule des Aktors umfassen. Dadurch kann eine möglichst geringe Entfernung zwischen den Komponenten des Aktors, d.h. der Spule und dem ferromagnetischen Anker, realisiert werden, was sich vorteilhaft hinsichtlich der mittels einer definierten Bestromung der Spule erzeugbaren Stellkräfte auswirken kann.
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Weiterhin bevorzugt kann ein solcher erfindungsgemäßer Verdichter derart ausgestaltet sein, dass die Führungshülse und das Unterteilungselement mittels eines oder mehrerer Strömungsleitelemente miteinander verbunden sind. Die Strömungsleitelemente können weiterhin bevorzugt derart ausgebildet sein, dass diese einen Drall einer in den peripheren Strömungsbereich einströmenden Gasströmung (um die Längsachse des Einlasskanals und/oder um die Rotationsachse des Verdichterlaufrads) bewirken. Dabei kann die Drehrichtung des Dralls vorzugsweise einer vorgesehenen Drehrichtung des Verdichterlaufrads entgegengesetzt ausgerichtet sein. Auf diese Weise kann eine Anströmung des Verdichterlaufrads realisiert werden, die sich vorteilhaft hinsichtlich des mittels des Verdichters darstellbaren Verdichterkennfelds auswirken kann.
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Der periphere Strömungsbereich kann weiterhin bevorzugt mittels einer Verschlussvorrichtung, beispielsweise in Form einer Blende, verschließbar ausgebildet sein. Die Verschlussvorrichtung kann dabei beispielsweise an dem distal bezüglich des Verdichterlaufrads gelegenen axialen Ende der Strömungsführungsvorrichtung angeordnet sein. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Beeinflussung der das Verdichterlaufrad anströmenden Gasströmung realisiert werden. Insbesondere kann dadurch auch realisiert werden, bedarfsweise innerhalb des peripheren Strömungsbereichs einen definierten Unterdruck zu erzeugen, durch den eine vorteilhafte Einleitung von beispielsweise Abgas, das aus dem Abgasstrang einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in den Frischgasstrang zurückgeführt werden soll (Abgasrückführung), oder von Entlüftungsgas, das aus einem Kurbelwellenraum des Verbrennungsmotors stammen kann, realisiert werden kann. Da eine solche Einleitung von beispielsweise Abgas oder Entlüftungsgas auch oder ausschließlich in einem Betriebszustand einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, für den die Abdeckstellung des Trimmstellers vorgesehen ist, vorgesehen sein kann, kann es dann auch sinnvoll sein, dass das vorzugsweise vorgesehene Unterteilungselement mindestens eine Überströmöffnung aufweist, um ein Überströmen von Gas aus dem peripheren Strömungsbereich in zentralen Strömungsbereich auch dann zu ermöglichen, wenn sich die Strömungsführungsvorrichtung in der Abdeckposition befindet.
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Die Steuerungsvorrichtung einer einen solchen Verdichter umfassenden, erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann dann den Aktor vorzugsweise zudem derart ansteuern, dass
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in dem bereits erläuterten ersten Betriebszustand und zusätzlich bei relativ hoher Last, der periphere Strömungsbereich freigegeben, d.h. nicht oder zumindest relativ wenig mittels der Verschlussvorrichtung verschlossen ist, und
- - bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in dem ersten Betriebszustand und zusätzlich bei relativ niedriger Last, der periphere Strömungsbereich mittels der Verschlussvorrichtung weitestgehend, insbesondere vollständig, oder zumindest relativ weitgehend verschlossen ist.
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Um unnötige Bewegungen der Strömungsführungsvorrichtung innerhalb des Gehäuses und damit unnötigen Verschleiß zu vermeiden, können weiterhin bevorzugt Mittel zur Verhinderung eines Verdrehens der Strömungsführungsvorrichtung um die Längsachse des Einlasskanals vorgesehen sein. Diese Mittel können auf beliebige Art und Weise, beispielsweise in Form einer in Längsrichtung des Einlasskanals verlaufenden Führungsöffnung der Strömungsführungsvorrichtung, insbesondere der vorzugsweise vorgesehenen Führungshülse der Strömungsführungsvorrichtung, in die ein Führungsvorsprung des Gehäuses eingreift, ausgebildet sein. Alternativ können auch ein oder mehrere entlang der Längsachse des Einlasskanals ausgerichtete Führungsbolzen des Gehäuses (oder der Strömungsführungsvorrichtung) in entsprechenden Führungsöffnungen der Strömungsführungsvorrichtung (oder des Gehäuses) beweglich geführt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Verdichters ist mindestens ein vorzugsweise aus einem Metall und insbesondere einem Federstahl ausgebildetes Federelement, beispielsweise eine Schraubenfeder oder eine Wellringfeder, vorgesehen, das derart mit der Strömungsführungsvorrichtung zusammenwirkt, dass dieses bei einer mittels des Aktors bewirkten Bewegung der Strömungsführungsvorrichtung in Richtung des Verdichterlaufrads und damit in Richtung der Abdeckstellung zunehmend vorgespannt wird. Diese Vorspannung kann dann ein Rückstellen der Strömungsführungsvorrichtung in die Freigabeposition bewirken, sobald die Spule des Aktors vorzugsweise nicht mehr oder zumindest nicht mehr ausreichend stark bestromt wird. Dadurch kann zum einen realisiert werden, dass eine Bestromung der Spule nur für ein Bewegen der Strömungsführungsvorrichtung in die Abdeckposition und gegebenenfalls auch für ein Halten der Strömungsführungsvorrichtung in der Abdeckposition erforderlich ist. Weiterhin wird dadurch eine sogenannte failsafe-Funktionalität realisiert, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der in der Abdeckstellung befindliche Trimmsteller bei einer Funktionsstörung des Aktors oder der diesen ansteuernden Steuerungsvorrichtung selbsttätig in die Freigabestellung verstellt wird. Die Freigabestellung kann nämlich einen hinsichtlich eines Betriebs des Verdichters ohne Verstellbarkeit des Trimmstellers besseren Kompromiss darstellen als die Abdeckstellung.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Dabei kann es sich insbesondere um ein radbasiertes und nicht schienengebundenen Kraftfahrzeug (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) handeln.
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Ein erfindungsgemäßer Verdichter kann vorteilhaft auch als Luftverdichter für eine Brennstoffzelle, insbesondere für eine Brennstoffzelle eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs, genutzt werden. Die Erfindung betrifft demnach auch eine Brennstoffzelle mit einem solchen (Luft-)Verdichter sowie ein vorzugsweise elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzelle.
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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, jeweils in vereinfachter Darstellung:
- 1: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug;
- 2: eine Brennkraftmaschine für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug;
- 3: einen perspektivischen Längsschnitt durch einen Verdichter für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem dazugehörigen Trimmsteller in einer Freigabestellung; und
- 4: den Verdichter gemäß der 3 mit dem Trimmsteller in einer Abdeckstellung;
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Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine 1, die einen Verbrennungsmotor 2 umfasst, der über ein automatisiertes oder manuelles Schaltgetriebe 3 mit Rädern 4 des Kraftfahrzeugs drehantreibend verbunden beziehungsweise verbindbar ist. Die Brennkraftmaschine 1 kann dabei beispielsweise gemäß derjenigen, wie sie in der 2 dargestellt ist, ausgebildet sein.
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Der Verbrennungsmotor 2 der Brennkraftmaschine 1 gemäß der 2 bildet eine Mehrzahl von Zylindern 5 aus. Die Zylinder 5 begrenzen gemeinsam mit darin auf und ab geführten Kolben und einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) Brennräume, in denen Frischgas gemeinsam mit Kraftstoff verbrannt wird. Der Kraftstoff wird dabei, gesteuert durch eine Steuerungsvorrichtung 6 (Motorsteuerung), mittels Injektoren 7 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 2 über einen Frischgasstrang zugeführt und dazu über eine Ansaugmündung 8 aus der Umgebung angesaugt, in einem Luftfilter 9 gereinigt und anschließend in einen Verdichter 10, der Teil eines Abgasturboladers ist, geführt. Das Frischgas wird mittels des Verdichters 10 verdichtet, anschließend in einem Ladeluftkühler 11 gekühlt und dann den Brennräumen zugeführt. Der Antrieb des Verdichters 10 erfolgt mittels einer Abgasturbine 12 des Abgasturboladers, die in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine 1 integriert ist. Abgas, das bei der Verbrennung der Kraftstoff-Frischgas-Gemischmengen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 2 entsteht, wird über den Abgasstrang aus dem Verbrennungsmotor 2 abgeführt und durchströmt dabei die Abgasturbine 12. Dies führt in bekannter Weise zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads (nicht dargestellt), das über eine Welle 13 drehfest mit einem Verdichterlaufrad 14 (vgl. 3 und 4) des Verdichters 10 verbunden ist. Der rotierende Antrieb des Turbinenlaufrads wird somit auf das Verdichterlaufrad 14 übertragen.
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Um bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 2 mit variierenden Lasten und Drehzahlen eine möglichst optimale Nutzung der Enthalpie des Abgases zur Erzeugung von Verdichtungsleistung mittels des Abgasturboladers zu realisieren, kann die Abgasturbine 12 des Abgasturboladers optional eine mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ansteuerbare Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung (VTG) 15 aufweisen. Diese kann in bekannter Weise eine Mehrzahl von in einem Einlasskanal der Abgasturbine 12 angeordneten Leitschaufeln (nicht dargestellt) umfassen, die individuell drehbar ausgebildet sind, wobei diese gemeinsame mittels einer Verstellvorrichtung (nicht dargestellt) verstellbar sind. In Abhängigkeit von den Drehstellungen der Leitschaufeln verengen diese den freien Strömungsquerschnitt in dem Einlasskanal der Abgasturbine 12 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 10 ist in die Ladeluftstrecke, d.h. in den Abschnitt des Frischgasstrangs, der zwischen dem Verdichter 10 und dem Verbrennungsmotor 2 gelegen ist, eine ebenfalls mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ansteuerbare Drosselklappe 16 integriert.
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Dem Verdichter 10 ist ein Trimmsteller 17 zugeordnet, mittels dessen die Anströmung des Verdichterlaufrads 14 durch das Frischgas beeinflusst werden kann. Dazu ist der Trimmsteller 17 beziehungsweise ein dazugehöriger Aktor (in der 2 nicht dargestellt) mittels der Steuerungsvorrichtung 6 ansteuerbar.
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Die 3 und 4 zeigen in perspektivischen Längsschnitten eine mögliche Ausgestaltungsform für einen solchen Verdichter 10. Dieser Verdichter 10 kann beispielsweise für eine Brennkraftmaschine 1 gemäß der 2 vorgesehen sein, wobei der Trimmsteller 17 ein integraler Bestandteil des Verdichters 10 ist. Dies ist in der 2 durch einen gestrichelten Rahmen angedeutet.
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Der Verdichter 10 gemäß den 3 und 4 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 18, das ein Teilgehäuse eines Gesamtgehäuses des Abgasturboladers darstellen kann. Das Gehäuse 18 des Verdichters 10 bildet einen Verdichtungsraum aus, innerhalb dessen das Verdichterlaufrad 14 drehbar gelagert ist. Einlassseitig bildet der Verdichtungsraum einen in einer Eintrittsebene liegenden Eintrittsquerschnitt aus. Über einen ebenfalls von dem Gehäuse 18 des Verdichters 10 ausgebildeten Einlasskanal 19 kann Frischgas von einem Verdichtereinlass 20 zu dem Verdichterlaufrad 14 geführt werden. Auslassseitig wird der Verdichtungsraum von einer um Austrittskanten von Laufradschaufeln 21 des Verdichterlaufrads 14 umlaufenden „Austrittsebene“ begrenzt. Dort schließt sich ein ebenfalls um die Austrittskanten der Laufradschaufeln 21 umlaufender Diffusorraum 22 und daran anschließend eine Verdichtervolute 23 an. Aus der Verdichtervolute 23 geht ein Verdichterauslass (nicht sichtbar) ab. Eine Wandung des Gehäuses 18, die den Verdichtungsraum, den Diffusorraum 22 und die Verdichtervolute 23 rückseitig des Verdichterlaufrads 14 begrenzt und die auch der drehbaren Lagerung des Verdichterlaufrads 14 dient, ist in den 3 und 4 nicht dargestellt.
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Innerhalb des Einlasskanals 19 ist der Trimmsteller 17 in einer möglichst kurzen Entfernung zu dem Eintrittsquerschnitt des Verdichterlaufrads 14 angeordnet. Der Trimmsteller 17 umfasst eine Strömungsführungsvorrichtung 24 sowie einen elektromagnetischen Aktor 25. Die Strömungsführungsvorrichtung 24 kann mittels des Aktors 25 axial, d.h. entlang der Längsachse 26 des Einlasskanals 19, innerhalb des Einlasskanals 19 verschoben werden. Dazu umfasst die Strömungsführungsvorrichtung 24 eine Führungshülse 27 mit kreisringförmigen Querschnitten, die gleitend an den Einlasskanal 19 begrenzenden Wandungen des Gehäuses 18 gelagert ist und dabei diese Wandungen vollumfänglich kontaktiert. Dabei greifen mehrere Führungsbolzen 28 des Gehäuses 18, die parallel zu der Längsachse 26 des Einlasskanals 19 (die koaxial zu der Rotationsachse 26 des Verdichterlaufrads 14 verläuft) ausgerichtet sind, in Führungsöffnungen eines nach außen ragenden Kragens 29 der Führungshülse 27 ein. Dadurch ist die Beweglichkeit der Strömungsführungsvorrichtung 24 auf die gewollte axiale Beweglichkeit beschränkt, so dass insbesondere ein Verdrehen der Strömungsführungsvorrichtung 24 verhindert ist.
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Koaxial Innerhalb der Führungshülse 27 ist ein ringförmiges Unterteilungselement 30 mit ebenfalls kreisringförmigen Querschnitten angeordnet. Dieses Unterteilungselement 30 unterteilt den innerhalb der Führungshülse 27 liegenden Teil des Einlasskanals 19 in einen zentralen Strömungsbereich 31 und in einen peripheren Strömungsbereich 32. Eine Verbindung zwischen dem Unterteilungselement 30 und der Führungshülse 27 wird mittels mehrerer Strömungsleitelemente 33 realisiert, die derart ausgebildet sind, dass diese einen Drall einer den peripheren Strömungsbereich 32 durchströmenden Frischgasströmung bewirken, der der vorgesehenen Drehrichtung für das Verdichterlaufrad 14 entgegengesetzt ausgerichtet ist.
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Das laufradseitige Ende des Unterteilungselements 30 ist von einer umlaufenden Kante ausgebildet, die in einer senkrecht zu der Rotationsachse 26 des Verdichterlaufrads 14 ausgerichteten Ebene gelegen ist. Diese Ebene ist in einer Abdeckposition der Strömungsführungsvorrichtung 24 beziehungsweise des Unterteilungselements 30 (vgl. 4) in einem möglichst kleinen Abstand zu der Eintrittsebene des Verdichterlaufrads 14 angeordnet, wobei ein sehr kleiner jedoch ausreichender Abstand vorgesehen ist, um trotz möglicher Form- und Lagetoleranzen der relevanten Bauteile sowie trotz der für den Betrieb des Verdichters 10 zu erwartenden, thermisch bedingten Dehnungen stets einen Kontakt des laufradseitigen Endes des Unterteilungselements 30 mit den Eintrittskanten der Laufradschaufeln 21 des Verdichterlaufrads 14 zu vermeiden. In der Abdeckposition (vgl. 4) verdeckt das Unterteilungselement 30 dadurch einen randseitigen Abschnitt des Eintrittsquerschnitts des Verdichterlaufrads 14. Weiterhin verschließt dieses den dortigen Übergang des peripheren Strömungsbereichs 32 in den Verdichtungsraum, da der Innendurchmesser, den das Gehäuse 18 im Bereich dieses Übergangs ausbildet, dem Außendurchmesser des laufradseitigen Endes des Unterteilungselements in etwa entspricht und damit kleiner ist, als die Innendurchmesser, die das Gehäuse 18 in dem die Strömungsführungsvorrichtung 24 axial beweglich aufnehmenden Abschnitt des Einlasskanals 19 aufweist. Anders als in der Freigabestellung des Trimmstellers 17 gemäß der 3 kann Frischgas in der Abdeckstellung lediglich über den zentralen Strömungsbereich 31 zu dem Verdichterlaufrad 14 strömen.
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Der Aktor 25 des Trimmstellers 17 wird von einer elektrischen Spule 34, die innenseitig in das Gehäuse 18 des Verdichters 10 integriert ist, sowie von der auch als Anker des Aktors 25 dienenden und dafür teilweise ferromagnetisch ausgestalteten Führungshülse 27 der Strömungsführungsvorrichtung 24 ausgebildet. Dabei kann eine beispielsweise aus einem Eisen ausgebildete Ankerhülse 35 in den Werkstoff der Führungshülse 27 eingebettet sein. Die Führungshülse 27 kann vorzugsweise einstückig und materialeinheitlich mit den Strömungsleitelementen 33 und dem Unterteilungselement 30 aus Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff (z.B. PA, PPS, PPA), ausgebildet sein.
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Mittels einer Mehrzahl von in gleichmäßiger Teilung über dem Umfang der Führungshülse 27 verteilt angeordneten Federelementen 36 in Form von Schraubenfedern, die unter permanenter Vorspannung zwischen der Führungshülse 27 und dem Gehäuse 18 abgestützt und dabei jeweils auf einem der Führungsbolzen 28 geführt sind, ist die Strömungsführungsvorrichtung 24 in die Freigabeposition gemäß der 3 beaufschlagt, in der sich die Strömungsführungsvorrichtung 24 in einer Position befindet, in der diese weitestmöglich von dem Verdichterlaufrad 14 entfernt ist. Diese Endstellung der axialen Beweglichkeit der Strömungsführungsvorrichtung 24 wird dabei durch ein Anschlagen des Kragens 29 der Führungshülse 27 an einem entsprechenden Absatz 37 des Gehäuses 18 definiert. In der Freigabestellung des Trimmstellers 17 sind die Federelemente 36 noch so weit vorgespannt, dass die Freigabestellung trotz der Kraft, die das in Richtung des Verdichterlaufrads 14 strömende Frischgas auf die Strömungsführungsvorrichtung 24 ausübt, beibehalten wird. In der Freigabestellung kann das zu dem Verdichterlaufrad 14 strömende Frischgas über den gesamten Eintrittsquerschnitt in den Verdichtungsraum und damit in das Verdichterlaufrad 14 einströmen, wobei es sowohl über den zentralen Strömungsbereich 31 als auch über den peripheren Strömungsbereich 32 geführt wird.
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Alternativ zu einer Mehrzahl von über dem Umfang der Führungshülse 27 verteilt angeordneten Federelementen 36 kann auch eine einzelne, entsprechend groß dimensionierte Schraubenfeder oder Wellringfeder zum Einsatz kommen, deren Längsachse koaxial zu der Längsachse der Führungshülse 27 ausgerichtet sein kann.
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Sofern der Trimmsteller 17 in die Abdeckstellung verstellt werden soll, wird die Spule 34 mit ausreichend hoher Stromstärke bestromt, so dass das innerhalb der Spule 34 auf die Ankerhülse 35 der Führungshülse 27 wirkende Magnetfeld die Strömungsführungsvorrichtung 24 unter zunehmender Vorspannung der Federelemente 36 in Richtung des Verdichterlaufrads 14 bewegt, bis die Abdeckposition erreicht ist. Die Abdeckposition der Strömungsführungsvorrichtung 24 ist dabei durch ein Anschlagen des proximal bezüglich des Verdichterlaufrads 14 gelegenen Endes des Unterteilungselements 30 an dem Gehäuse 18 definiert.
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Solange der Verdichter 10 mit dem Trimmsteller 17 in der Abdeckstellung betrieben werden soll, wird die Spule 34 bestromt, wobei die für ein Halten der Strömungsführungsvorrichtung 24 in der entsprechenden Abdeckposition erforderliche elektrische Leistung geringer als für das Bewegen in diese Abdeckposition sein kann. Eine Ansteuerung der Spule 34 kann vorzugsweise mittels PWM erfolgen, so dass die elektrische Leistung durch Variation der Pulsweiten des gepulsten Stroms vorteilhaft einstellbar ist.
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Sofern ein Verstellen des Trimmstellers 17 von der Abdeckstellung in die Freigabestellung vorgesehen ist, wird die Bestromung der Spule 34 beendet. Die vorgespannten Federelemente 36 bewirken dann die Rückbewegung der Strömungsführungsvorrichtung 24 bis in die entsprechende Endstellung ihrer axialen Beweglichkeit (Freigabeposition).
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Derjenige Teil des mehrteiligen Gehäuse 18 des Verdichters 10, der den Verdichtungsraum, den Diffusorraum 22, die Verdichtervolute 23 und den Verdichterauslass ausbildet, besteht aus einem Metall, beispielsweise aus einem Gusseisen, wodurch dieses die dort im Betrieb des Verdichters 10 herrschenden, relativ hohen Gasdrücke sowie die sich aus der Lagerung des Verdichterlaufrads 14 ergebenden Belastungen dauerhaft ertragen kann. Der Teil des Gehäuses 18, der den Einlasskanal 19 begrenzt, besteht dagegen aus Kunststoff, wodurch die Kosten für die Herstellung des Verdichters 10 und auch das Gewicht des Verdichters 10 relativ gering gehalten werden können.
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Zur Verstärkung der elektromagnetischen Wirkung der in den 3 und 4 vereinfacht dargestellten Spule 34 umfasst diese nicht nur bestrombare Wicklungen, sondern zudem eine beispielsweise diese Wicklungen außenseitig umgebende Hülse aus einem ferromagnetischen Material.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Schaltgetriebe
- 4
- Rad
- 5
- Zylinder
- 6
- Steuerungsvorrichtung
- 7
- Injektor
- 8
- Ansaugmündung
- 9
- Luftfilter
- 10
- Verdichter
- 11
- Ladeluftkühler
- 12
- Abgasturbine
- 13
- Welle
- 14
- Verdichterlaufrad
- 15
- Vorrichtung zur variablen Turbinenanströmung
- 16
- Drosselklappe
- 17
- Trimmsteller
- 18
- Gehäuse des Verdichters
- 19
- Einlasskanal
- 20
- Verdichtereinlass
- 21
- Laufradschaufel
- 22
- Diffusorraum
- 23
- Verdichtervolute
- 24
- Strömungsführungsvorrichtung
- 25
- Aktor
- 26
- Längsachse des Einlasskanals / Rotationsachse des Verdichterlaufrads
- 27
- Führungshülse
- 28
- Führungsbolzen
- 29
- Kragen der Führungshülse
- 30
- Unterteilungselement
- 31
- zentraler Strömungsbereich
- 32
- peripherer Strömungsbereich
- 33
- Strömungsleitelement
- 34
- Spule
- 35
- Ankerhülse
- 36
- Federelement
- 37
- Absatz des Gehäuses
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010026176 A1 [0003]
- EP 3018355 A1 [0003]
- DE 102015209704 A1 [0003]
- DE 102014225716 A1 [0003, 0008]
- WO 2014/131790 A1 [0003]
- DE 102017209598 A1 [0003, 0008]
