DE10238658A1

DE10238658A1 - Verdichter, insbesondere in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10238658A1
Application number: DE10238658A
Authority: DE
Inventors: Joseph Prof. Dr. Spurk; Helmut Daudel; Paul Dipl.-Ing. Löffler; Stephan Dr. Schenkel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20050207885A1; US7186077B2; EP1532368B1; DE50303308D1; WO2004027265A1; EP1532368A1

Abstract

Ein Verdichter weist in einem Verdichtergehäuse ein drehbar gelagertes Verdichterrad und einen stromab des Verdichterrades angeordneten Diffusor auf, der mit einer variabel einstellbaren Diffusorgeometrie ausgestattet ist. Die Diffusorgeometrie umfasst verstellbare Leitschaufeln, die jeweils auf einer Leitschaufelwelle drehbar gelagert sind, und einen drehbaren, die Leitschaufeln beaufschlagenden Verstellring. Der Verstellring weist Verstellelemente auf, die die Leitschaufeln mit Abstand zur jeweiligen Leitschaufelwelle in Drehrichtung beaufschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Verdichter wird in der Druckschrift US 5 207 559 beschrieben. Dem Verdichter wird über einen Verdichter-Einströmkanal Frischluft zugeführt, die von einem Verdichterrad im Verdichtergehäuse komprimiert und stromab des Verdichterrades in einen Diffusor geleitet wird. Das Verdichterrad wird über eine Welle von einer Turbine angetrieben, deren Turbinenrad von unter Druck stehendem Gas beaufschlagt wird.
Um den Arbeitsbereich des Verdichters zu vergrößern, der einerseits im Bereich kleiner Massenströme durch die Pumpgrenze und andererseits im Bereich großer Massenströme durch die Stopfgrenze limitiert ist, weist der Verdichter eine variabel einstellbare Diffusorgeometrie auf, die es erlaubt, in Abhängigkeit des aktuellen Betriebspunktes des Verdichters die Geometrie des Diffusors stromab des Verdichterrades zu verändern. Die Diffusorgeometrie umfasst über den Umfang des Diffusors verteilte, verstellbare Leitschaufeln, die jeweils auf einer Leitschaufelwelle drehbar gelagert sind, sowie einen drehbaren Verstellring mit Verstellgliedern, welche die Leitschaufelwellen um ihre Längsachsen verdrehen, wodurch die Position der Leitschaufeln veränderbar ist und mithin unterschiedliche Strömungsverhältnisse im Diffusor einzustellen sind.
Die Stellbewegung des Verstellringes wird über die Verstellglieder auf die Leitschaufelwellen übertragen, die gehäusefest gelagert sind. Die Verstellglieder sind drehbar im Verstellring aufgenommen und überbrücken einen radialen Abstand zwischen dem Verstellring und den Leitschaufelwellen. Auf Grund der gehäusefesten Lagerung der Leitschaufelwellen und des Abstandes zwischen den Leitschaufelwellen und der Lagerachse der Verstellglieder ist eine Drehbewegung des Verstellringes nur in einem geringen Maße im Rahmen des Lagerspiels der Verstellglieder möglich. Große Stellbewegungen können mit dieser Stelleinrichtung nicht erzeugt werden. Eine präzise Einstellung der Leitschaufelposition kann nicht sicher gewährleistet werden.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, einen gattungsgemäßen Verdichter mit variabel einstellbarer Diffusorgeometrie anzugeben, der sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau und exakte Einstellmöglichkeit auszeichnet. Die Verstellung der Diffusorgeometrie soll zweckmäßig mit hoher Sicherheit gegen Verklemmen oder Verzug und mit geringen Stellkräften zu bewerkstelligen sein.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Der Verdichter besitzt im Bereich der Diffusorgeometrie einen Verstellring mit Verstellelementen, welche die Leitschaufeln der Diffusorgeometrie mit Abstand zur jeweiligen Leitschaufelwelle in Drehrichtung beaufschlagen. Die auf die Leitschaufeln wirkende Stellkraft der Verstellelemente bewirkt ein Drehmoment um die Leitschaufelwelle, welches zu der Verstellung der Leitschaufeln führt. Im Unterschied zum Stand der Technik wird nunmehr die Leitschaufel mit Abstand zu ihrer Leitschaufelwelle mit der Verstellkraft beaufschlagt, wodurch für die Verstellung der Leitschaufeln nur noch geringere und besser dosierbare Stellkräfte benötigt werden. Die zweckmäßig ringförmig verteilten Leitschaufeln werden von den Verstellelementen insbesondere in einem radial außen liegenden Bereich beaufschlagt, welcher einen größeren Abstand zur Längsachse der Diffusorgeometrie aufweist als die Leitschaufelwellen. In dieser Ausführung sind die Leitschaufeln vorteilhaft an einem Lagerring gelagert, insbesondere nur einseitig an diesem Lagerring aufgenommen. Aufgrund dieser einseitigen Lagerung auf nur einer Seite der Verdichterspirale bzw. des Diffusors im Bereich des Verdichterradaustrittes ist die Gefahr eines Verklemmens der Leitschaufeln eliminiert, was andernfalls bei einer doppelseitigen Lagerung im Bereich gegenüberliegender Diffusorwände aufgrund der erheblichen Temperaturunterschiede zwischen den Diffusorwänden nicht auszuschließen wäre.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung liegt in der einfachen Konstruktion sowie in der geringen Anzahl an erforderlichen Bauteilen, insbesondere an beweglichen Bauteilen, wodurch auch unerwünschte Leckagen insbesondere im Bereich der Lagerwellenführungen reduziert werden und der Wirkungsgrad verbessert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind die Leitschaufeln auf ihrer der Leitschaufelwelle abgewandten Seite gabelförmig ausgeführt und besitzen zwei Gabelzinken, zwischen denen eine offene Aufnahme gebildet ist, in die das Verstellelement des Verstellringes einragt. Das Verstellelement ist bevorzugt als Verstellstift ausgeführt, der fest am Verstellring gehalten ist und durch eine Drehung des Verstellringes die Leitschaufeln um ihre Leitschaufelwelle um den gewünschten Winkelbe trag verstellt. Diese konstruktiv einfache Ausführung zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus.
Über eine Drehung des Verstellringes werden die Leitschaufeln um den gewünschten Winkelbetrag um ihre Leitschaufelwelle verstellt, wobei im Falle einer koaxialen Anordnung von Verstellring und Verdichterrad der Abstand der Verstellelemente zum Verdichterrad während der Stellbewegung konstant bleibt.
Zweckmäßig ist die Diffusorgeometrie, welche die schwenkbaren Leitschaufeln umfasst, unmittelbar an einer Verdichterrückwand des Verdichtergehäuses gelagert, welche auch die Stirnseite des Verdichterrades begrenzt. Die Diffusorgeometrie kann darüber hinaus auch den Lagerring umfassen, an welchem die Leitschaufelwellen gelagert sind und der gehäusefest positioniert ist, insbesondere an der Verdichterrückwand des Verdichtergehäuses gehalten ist. An einer Stirnseite des Lagerringes sind zweckmäßig gleichmäßig in Ringform verteilt eine Mehrzahl von Leitschaufeln vorgesehen, deren Leitschaufelwellen drehbar am Lagerring aufgenommen sind. Jede Leitschaufel ist von einem zugeordneten Verstellelement am Verstellring zu betätigen, wobei in bevorzugter Ausführung die Verstellelemente am Verstellring den Lagerring auf dessen radialer Außenseite übergreifen. Der Lagerring ist hierbei vorteilhaft zwischen den Leitschaufeln und dem Verstellring angeordnet, wobei in einer bevorzugten Ausführung der Lagerring drehbar im Verstellring aufgenommen ist, was entweder dadurch zu realisieren ist, dass die radiale Außenseite des Lagerringes drehbar auf der radialen Innenseite des Verstellringes gelagert ist, oder dadurch zustande kommt, dass am Lagerring axial überstehende Lagerelemente angeordnet sind, die drehbar auf der radialen Innenseite des Verstellringes gelagert sind.
Die Drehbewegung des Verstellringes um die Verstellringachse zur Verstellung der Leitschaufeln zwischen den Leitschaufel-Endpositionen wird zweckmäßig über eine am Verstellring angreifende Schubstange realisiert, welche von einem Aktuator zu betätigen ist.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch einen Abgasturbolader mit einem Verdichter und einer Abgasturbine, wobei der Verdichter im Bereich des Verdichterradaustrittes einen Diffusor mit variabel einstellbarer Diffusorgeometrie aufweist,
2 einen Schnitt gemäß Schnittlinie II-II aus 1 mit einer Darstellung der variablen Diffusorgeometrie einschließlich eines Stellorgans zur Betätigung der Diffusorgeometrie.
Der in 1 dargestellte Abgasturbolader 1 wird zweckmäßig in Brennkraftmaschinen eingesetzt und umfasst eine Abgasturbine 2, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet ist, sowie einen Verdichter 3, der im Ansaugtrakt der, Brennkraftmaschine liegt. Die Abgasturbine 2 umfasst in einem Turbinengehäuse 4 ein von den Abgasen der Brennkraftmaschine anzutreibendes Turbinenrad 5, dem das unter Druck stehende Abgas über einen Spiralkanal 6 zuzuführen ist. Auf der Abströmseite kann das Abgas die Abgasturbine 2 über einen Abströmkanal 7 axial verlassen. Die Drehbewegung des Turbinenrades 5 wird über eine Welle 8 auf ein Verdichterrad 9 im Verdichtergehäuse 15 übertragen, wobei durch die Drehbewegung des Verdichterrades 9 über einen Einströmkanal 10 heranzufüh rende Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet und auf der Abströmseite des Verdichterrades in einen radialen Diffusor 11 abgeleitet wird. Der Diffusor 11 mündet in einen spiralförmigen Beruhigungskanal 12, aus dem die verdichtete Luft aus dem Verdichter abgeleitet und über die Ansaugleitung den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Der Diffusor 11 ist als ein sich radial erstreckender, ringförmiger Abströmkanal zwischen dem radialen Abströmbereich des Verdichterrades 9 und dem Beruhigungskanal 12 ausgeführt und weist eine variabel einstellbare Diffusorgeometrie 13 auf, über die der wirksame Querschnitt des Diffusors 11 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine bzw. von der Brennkraftmaschine zugeordneten Aggregaten einstellbar ist. Der Strömungsquerschnitt des Diffusors wird durch eine Beaufschlagung der variablen Diffusorgeometrie insbesondere zur Vergrößerung des Verdichterarbeitsbereiches verändert. Hierdurch ist es möglich, den Verdichterbetrieb im Grenzbereich des noch zulässigen Verdichterarbeitsbereichs nahe der Stopfgrenze, insbesondere aber auch nahe der Pumpgrenze zu stabilisieren, so dass ein unzulässiges Überschreiten der Pumpgrenze und damit auch ein unerwünschtes Verdichterpumpen vermieden werden kann.
Die Diffusorgeometrie ist im Ausführungsbeispiel über verstellbare Leitschaufeln veränderlich einzustellen, welche im Diffusorquerschnitt angeordnet sind. Die Diffusorgeometrie kann gegebenenfalls aber auch durch eine axiale Verschiebung der Diffusorseitenwände verändert werden. Im Ausführungsbeispiel bildet eine Verdichterrückwand 14 eine der Seitenwände des Diffusors 11, wobei die Verdichterrückwand 14 sowohl eine axiale Stirnseite des Verdichterrades 9 als auch die variable Diffusorgeometrie 13 begrenzt.
Die variable Diffusorgeometrie 13 kann als vorgefertigtes Modul ausgeführt sein, welches in den Diffusor 11 eingesetzt werden kann.
Die Abgasturbine 2 kann gegebenenfalls auch mit einer variabel einstellbaren Turbinengeometrie ausgestattet sein, über die eine veränderliche Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnittes zum Turbinenrad möglich ist.
In 2 ist die variable Diffusorgeometrie 13 vor der Verdichterrückwand 14 dargestellt. Die variable Diffusorgeometrie 13 umfasst eine Mehrzahl von ringförmig angeordneten und gleichmäßig über den Umfang verteilten Leitschaufeln 16, die jeweils eine Leitschaufelwelle 17 aufweisen und um die Leitschaufelwelle 17 drehbar gelagert sind. Die Leitschaufelwelle 17 jeder Leitschaufel 16 ist in einem Lagerring 18 drehbar aufgenommen, welcher gehäusefest gehalten ist, insbesondere fest und unbeweglich mit der Verdichterrückwand 14 verbunden ist. Der Lagerring 18 ist von einem koaxial zum Lagerring angeordneten Verstellring 19 umgriffen, wobei die radial innen liegende Seite des Verstellringes 19 drehbar auf der radialen Außenseite des Lagerringes 18 gelagert ist. Der Verstellring 19 besitzt eine Mehrzahl von Verstellelementen 20, welche als Stifte ausgebildet sind und sich an einer axialen Stirnseite des Verstellringes 19 befinden, wobei jeweils ein Verstellelement 20 einer Leitschaufel 16 am Lagerring 18 zugeordnet ist. Der Verstellring 19 wird von einem als Schubstange ausgeführten Stellglied 21 beaufschlagt und um seine Drehachse verschwenkt. Das Stellglied 21 wird von einem nicht dargestellten Aktuator betätigt. Bei einer Drehbewegung des Verstellringes 19 werden die Verstellelemente 20 am Verstellring 19 in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Winkelbetrag verstellt, woraufhin die Leitschaufeln 16 am Lagerring 18 um ei nen entsprechenden Winkelbetrag um ihre Leitschaufelwellen 17 verschwenkt werden. Bei einer Schwenkbewegung des Leitschaufeln 16 ändert sich der freie Strömungsquerschnitt zwischen jeweils zwei benachbarten Leitschaufeln, wodurch sich auch das Druckverhältnis zwischen Verdichtereintrittsseite und Verdichteraustrittsseite verändert und insbesondere der Betrieb des Verdichters nahe der Pumpgrenze beeinflusst werden kann. Die Leitschaufelwellen 17 der Leitschaufeln 16 weisen zur Achse des Lagerringes 18 bzw. des Verstellringes 19 einen geringeren Abstand auf als die Verstellelemente 20 am Verstellring, was zur Folge hat, dass bereits eine verhältnismäßig geringe, in Umfangsrichtung wirkende Stellkraft zur Verschwenkung der Leitschaufeln um die Leitschaufelwellen genügt.
Jede Leitschaufel 16 ist gabelförmig ausgebildet und weist zwei Gabelzinken 22 und 23 auf, zwischen denen eine radial nach außen offene Aufnahme 24 gebildet ist, in die in jeder Position des Verstellringes 19 das Verstellelement 20 einragt. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer Verstellung des Verstellringes 19 in Pfeilrichtung 25 in jeder Position des Verstellringes die Bewegung der Leitschaufeln 16 zwangsgeführt ist.
Die Lagerung des Lagerringes 18 im Verstellring 19 kann in einer alternativen Ausführung auch in der Weise durchgeführt werden, dass mit dem Lagerring verbundene und axial über den Lagerring überstehende Lagerelemente drehbar auf der radialen Innenseite des Verstellringes gelagert sind.
Der variable Diffusor erlaubt durch die freie Einstellbarkeit der verstellbaren Leitschaufeln eine vom jeweiligen Betriebspunkt individuell bedarfsabhängige Regel- bzw. Steuerbarkeit der dem Motor zuzuführenden Luftmasse bzw. des Luft verhältnisses λ. Hierdurch kann die Partikelfilterregeneration durch kurzzeitige Absenkung des Luftverhältnisses λ und damit einhergehende Erhöhung der Motoraustrittstemperatur der Abgase unterstützt werden. Außerdem ist eine individuell bedarfsabhängige Katalysator-Betriebstemperatur einstellbar. Des Weiteren kann die Motortemperatur im Startbereich zur Emissionsminderung und zur Anhebung der Katalysator-Betriebstemperatur angehoben werden. Über die Anhebung der Motortemperatur in bestimmten Betriebsbereichen kann auch die Konvertierungsrate bei Verwendung eines SCR-Systems angehoben werden. Der variable Diffusor erlaubt außerdem die Absenkung der Abgasturboladerdrehzahl im Falle eines Einsatzes eines größeren Verdichters ohne Verschlechterung der Pumpgrenze des Verdichters.

Claims

Verdichter, insbesondere Verdichter in einem Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem in einem Verdichtergehäuse (15) drehbar gelagerten Verdichterrad (9) und mit einem im Verdichtergehäuse (15) stromab der Verdichterrades (9) angeordneten Diffusor (11), der eine variabel einstellbare Diffusorgeometrie (13) aufweist, welche verstellbare Leitschaufeln (16), die jeweils auf einer Leitschaufelwelle (17) drehbar gelagert sind, und einen drehbaren, die Leitschaufeln (16) beaufschlagenden Verstellring (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (19) Verstellelemente (20) aufweist, die die Leitschaufeln (16) mit Abstand zur jeweiligen Leitschaufelwelle (17) in Drehrichtung beaufschlagen.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (16) auf ihrer der Leitschaufelwelle (17) abgewandten Seite gabelförmig ausgeführt sind und zwei Gabelzinken (22, 23) besitzen, zwischen denen eine offene Aufnahme (24) gebildet ist, in die das Verstellelement (20) des Verstellringes (19) einragt.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorgeometrie (13) unmittelbar an einer Verdichterrückwand (14) des Verdichtergehäuses (15) auf der Abströmseite des Verdichterrades (9) gelagert ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufelwellen (17) einseitig an einem Lagerring (18) gelagert sind.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (18) zwischen den Leitschaufeln (16) und dem Verstellring (19) positioniert ist.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente (20) am Verstellring (19) den Lagerring (18) auf dessen radialer Außenseite übergreifen.
Verdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellring (19) auf dem Lagerring (18) gelagert ist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (18) im Verstellring (19) aufgenommen ist und die radiale Außenseite des Lagerringes (18) drehbar auf der radialen Innenseite des Verstellringes (19) gelagert ist.
Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Lagerring (18) axial überstehende Lagerelemente angeordnet sind, die drehbar auf der radialen Innenseite des Verstellringes (19) gelagert sind.