DE10252767A1 - Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Ein Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine weist ein drehbar gelagertes Verdichterrad auf, über das zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist. Des Weiteren ist ein Zusatzkanal im Verdichtergehäuse vorgesehen, der in den Verdichtereinlasskanal einmündet, wobei im Verdichtereinlasskanal stromauf des Verdichterrades ein einstellbares Sperrorgan und im Mündungsbereich des Zusatzkanals eine einstellbare Dralleinrichtung angeordnet ist. Das Sperrorgan beaufschlagt die Dralleinrichtung, wobei eine Stellbewegung des Sperrorgans auch zu einer Verstellung der Dralleinrichtung führt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • In der Druckschrift DE 199 55 508 C1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, der eine von den Abgasen angetriebene Abgasturbine sowie einen Verdichter im Ansaugtrakt umfasst, welcher angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet. Der Verdichter weist in einem axialen Verdichtereinlasskanal ein drehbar gelagertes Verdichterrad auf, welches axial zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Druck verdichtet. Parallel zum Verdichtereinlasskanal verläuft ein separat ausgebildeter Zusatzkanal im Verdichtergehäuse, der in Höhe des Verdichterrades radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Über den Zusatzkanal kann ebenfalls Verbrennungsluft zugeführt werden, die unmittelbar auf die Radschaufelndes Verdichterrades auftrifft und dadurch dem Verdichterrad einen antreibenden Drehimpuls versetzt, der insbesondere in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit niedriger Last und Drehzahl für ein erhöhtes Drehzahlniveau des Laders sorgt. Stromauf des Verdichterrades befindet sich im Bereich einer Abzweigung einer Zufuhrleitung zum Verdichtereinlasskanal und dem Zusatzkanal ein einstellbares Sperrorgan, über das die jeweiligen Luftmassenströme in den axialen Verdichtereinlasskanal bzw. den Zusatzkanal steuerbar sind.
  • Das Sperrorgan ist als Drosselklappe ausgeführt, über die der Luftmassenstrom in den Verdichtereinlasskanal zur Einstellung eines gewünschten Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in den Zylindern der Brennkraftmaschine steuerbar ist. In Sperrposition der Drosselklappe wird der Luftmassenstrom komplett in den Zusatzkanal umgeleitet und trifft mit einem Drall auf das Verdichterrad auf. In dieser Betriebsweise wird das Verdichterrad angetrieben und somit im Turbinenbetrieb gefahren, bei dem der Luftmassenstrom nach dem Passieren des Verdichterrades eine Entspannung mit einem Druckabfall erfährt. Eine genaue Regulierung des auf das Verdichterrad wirkenden Dralls ist jedoch mit nur einem Sperrorgan außerhalb des Zusatzkanals nicht möglich; hierfür wäre ein zweites Stellglied erforderlich, mit dem ein Drallgitter im Mündungsbereich des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal in Höhe des Verdichterrades veränderlich einstellbar sein müsste, wodurch jedoch der konstruktive Aufwand erheblich erhöht werden würde.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen gattungsmäßigen Verdichter für eine Brennkraftmaschine mit geringem konstruktiven Aufwand in der Weise auszulegen, dass bei niedriger Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine ein einstellbarer Turbinenbetrieb und bei höherer Last und Drehzahl ein regulierbarer Verdichterbetrieb möglich ist.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verdichter genügt ein einziges Stellglied, um in Abhängigkeit des aktuellen Last- und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine sowohl das Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal als auch die Dralleinrichtung im Mündungsbereich von Zusatzkanal in den Verdichtereinlasskanal zu verstellen. Die Einstellung erfolgt dadurch, dass das Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal in einer definierten Bewegungsphase die Dralleinrichtung im Mündungsbereich von Zusatzkanal zum Verdichtereinlasskanal beaufschlagt, wodurch die Stellbewegung des Sperrorgans auf die Dralleinrichtung übertragen und diese verstellt wird. Das Sperrorgan übernimmt somit die zusätzliche Funktion eines Stellgliedes für die Dralleinrichtung. Auf ein weiteres Stellglied kann verzichtet werden. Mit nur einer Stelleinrichtung können beim erfindungsgemäßen Verdichter zwei separate Drosseleinrichtungen betätigt werden, was grundsätzlich dadurch ermöglicht wird, dass die Einstellung des Sperrorgans im Verdichtereinlasskanal und die Einstellung der Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals in unterschiedlichen Last- und Betriebszuständen erfolgen, denen unterschiedliche Stellbewegungen des Sperrorgans zugeordnet werden. Die Einstellung der Dralleinrichtung findet vorzugsweise bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine statt, bei denen im Ansaugkanal üblicherweise ein Unterdruck herrschen muss, was durch einen sogenannten Kaltluftturbinenbetrieb zu realisieren ist, bei dem die Verbrennungsluft zweckmäßig ausschließlich über den Zusatzkanal geleitet wird und unter einem Drall auf das Verdichterrad auftrifft, welches hierdurch eine Drehbeschleunigung erfährt. Bei höheren Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine dagegen ist das Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal mehr oder weniger weit geöffnet, so dass die Verbrennungsluft unmittelbar axial durch den Verdichtereinlasskanal dem Verdichterrad zugeführt wird, das in dieser Betriebsweise von einem separaten Antrieb betätigt wird, insbesondere von einer Abgasturbine, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann und von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine betrieben wird. Gegebenenfalls kommt auch ein von einer Abgasturbine unabhängiger Antrieb in Betracht, beispielsweise ein separater Elektromotor oder eine direkte Kopplung mit der Brennkraftmaschine.
  • In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass das Sperrorgan in Schließstellung steht und den Verdichtereinlasskanal vorteilhaft vollständig absperrt, sobald die Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals vom Sperrorgan betätigt wird. In Öffnungsstellung des Sperrorgans ist es dagegen nicht zwingend erforderlich, dass die Dralleinrichtung in Stauposition steht, da aufgrund des größeren Querschnittes und der axialen Ausrichtung auf das Verdichterrad des Verdichtereinlasskanals bei geöffnetem Sperrorgan ein wesentlich größerer Anteil des Luftmassenstromes durch den Verdichtereinlasskanal im Vergleich zum Zusatzkanal strömt.
  • In einer vorteilhaften Ausführung ist die Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals über ein Federelement in eine ihrer Endstellungen kraftbeaufschlagt, insbesondere in Richtung ihrer Öffnungsstellung, so dass bei geöffnetem Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal – in dieser Stellung bleibt die Dralleinrichtung unbeaufschlagt vom Sperrorgan – auch die Dralleinrichtung in ihrer Öffnungsposition steht. Mit dem Schließen des Sperrorgans und Abriegeln des Verdichtereinlasskanals gelangt das Sperrorgan in Anschlagstellung zu der Dralleinrichtung und beginnt bei weiterer Verstellung, die Dralleinrichtung gegen die Kraft des Federelementes aus der Öffnungsposition in Richtung Stauposition zu überführen. Bei einer Verstellung des Drosselorgans in Gegenrichtung wird die Dralleinrichtung durch die Federkraft selbsttätig wieder aus der Stauposition in ihre Öffnungsposition überführt.
  • Die Stellbewegung des Sperrorgans erfolgt insbesondere in Achsrichtung des Verdichterrades bzw. des Verdichtereinlass kanals. Dies wird zweckmäßig durch eine Ausführung des Sperrorgans als axial verschieblicher Sperrstempel erreicht, der mittels eines Stellglieds zwischen einer ersten axialen Endposition, die der Öffnungsstellung des Sperrorganes entspricht, einer Zwischenposition, die der Schließstellung des Sperrorganes entspricht und in der der Sperrstempel in Anschlagposition zur Dralleinrichtung steht, und einer zweiten axialen Endposition, in welcher die Dralleinrichtung in ihrer Stauposition steht, zu verstellen ist. Auch die Dralleinrichtung wird in dieser Ausführung zweckmäßig axial zwischen ihrer Öffnungs- und ihrer den Mündungsquerschnitt reduzierenden Staustellung verschoben. Hierfür ist vorteilhaft ein der Dralleinrichtung zugeordneter Axialschieber vorgesehen, der gehäusefest gelagert ist und in Achsrichtung des Verdichterrades zu verschieben ist und von dem Federelement beaufschlagt wird. In Stauposition überdeckt der Axialschieber das Drallgitter, wobei gegebenenfalls ein Restspalt im Mündungsquerschnitt geöffnet bleiben kann.
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch einen Verdichter mit einem Verdichterrad, dem über einen axialen Verdichtereinlasskanal und einen parallelen Zusatzkanal Verbrennungsluft zuführbar ist, dargestellt mit einem Sperrorgan im Verdichtereinlasskanal in Öffnungsposition und einer ebenfalls in Öffnungsposition stehenden Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals,
  • 2 eine 1 entsprechende Darstellung, jedoch mit dem Sperrorgan in Schließposition, in welcher das Sperrorgan an einem Axialschieber der Dralleinrichtung anliegt, welcher ebenfalls axial verschieblich gelagert ist und über den die Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals zwischen Öffnungsposition und Stauposition zu verstellen ist,
  • 3 eine den vorherigen Figuren entsprechende Darstellung, jedoch mit axial weiter verschobenem Sperrorgan, welches den Axialschieber in Stauposition überführt,
  • 4 ein Schaubild mit dem Verlauf des wirksamen Strömungsquerschnitts im Verdichtereinlasskanal und im Mündungsbereich des Zusatzkanals in Abhängigkeit der axialen Stellbewegung des Sperrorgans.
  • In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der in 1 dargestellte Verdichter 1 wird insbesondere in Brennkraftmaschinen eingesetzt und ist zweckmäßig Teil eines Abgasturboladers, bei dem die im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine über eine Welle 4 das Verdichterrad 2 im Verdichtergehäuse antreibt, die drehbar in einem Verdichtereinlasskanal 5 gelagert ist. Die aus einem vorgelagerten, im Verdichtergehäuse angeordneten Luftsammelraum 6 über eine Eintrittsöffnung 7 in den axialen Verdichtereinlasskanal 5 gelangende Verbrennungsluft wird von den rotierenden Verdichterradschaufeln 3 auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet und radial in einen Diffusor 13 im Verdichtergehäuse abgeleitet, von dem aus die komprimierte Verbrennungsluft üblicherweise zunächst in einem Ladeluftkühler gekühlt und anschließend unter Ladedruck in die Zylinder der Brennkraftmaschine geleitet wird. Die Rotationsachse des Verdichterrades 2 ist mit der Verdichterachse 11 identisch, die auch zugleich die Längsachse des Verdichtereinlasskanales 5 ist. Der vorgelagerte Luftsammelraum 6 ist als Ringraum ausgebildet und weist gegenüber der Verdichterachse 11 einen radialen Abstand auf. Die Eintrittsöffnung 7, welche Teil des Verdichtereinlasskanales 5 ist und über die die Verbrennungsluft aus dem Luftsammelraum 6 in Pfeilrichtung 8 in den Verdichtereinlasskanal 5 strömt, ist halbaxial ausgerichtet und schließt mit der Verdichterachse 11 einen Winkel ein.
  • Axial in Pfeilrichtung 10 verschieblich ist in dem Verdichtereinlasskanal 5 ein Sperrorgan 9 angeordnet, bei dessen axialer Bewegung der Querschnitt der Eintrittsöffnung 7 zwischen der in 1 dargestellten Öffnungsstellung und einer Schließstellung (2) zu verschieben ist, in welcher die Eintrittsöffnung 7 vollständig abgesperrt ist und ein Übertritt von Verbrennungsluft aus dem Luftsammelraum 6 in den Verdichtereinlasskanal 5 unterbunden ist. Bei der Überführung von der Öffnungsposition bis zum Erreichen der Schließposition legt das Sperrorgan 9 einen axialen Stellweg s1 zurück. Das Sperrorgan 9 wird mit Hilfe eines Stellgliedes 12 axial verschoben.
  • In Öffnungsstellung ist die Eintrittsöffnung 7 zwischen der Außenkontur des Sperrorganes 9 und einem Axialschieber 14 gebildet, der ebenfalls in Achsrichtung verschoben werden kann und einen axial verlaufenden, radial jedoch außerhalb des Verdichtereinlasskanales 5 verlaufenden Zusatzkanal 15 gegenüber dem Verdichtereinlasskanal abtrennt. Der Zusatzkanal 15 kommuniziert einenends ebenfalls mit dem Luftsammelraum 6 und mündet anderenends über einen Mündungsbereich 16 radial in Höhe des Verdichterrades 2 in den Verdichtereinlasskanal 5. Die über den Zusatzkanal 15 zugeführte Verbrennungsluft trifft näherungsweise radial auf die Verdichterradschaufeln 13 auf und beaufschlagt diese mit einem beschleunigenden Drall. Zur Verbesserung der Drallwirkung ist im Mündungsbereich 16 ein Drallgitter 17 angeordnet, welches beispielsweise über den Umfang des Drallgitters verteilte Leitschaufeln aufweist, die den Strömungsverlauf der auftreffenden Verbrennungsluft beeinflussen.
  • Axialschieber 14 und Drallgitter 17 bilden gemeinsam eine Dralleinrichtung, über die der Mündungsquerschnitt des Mündungsbereiches 16 zwischen der in 1 dargestellten Öffnungsposition und einer Stauposition zu verstellen ist, in welcher der Mündungsquerschnitt auf ein Minimum reduziert ist, gegebenenfalls auch vollständig abgesperrt ist. Die Verstellung des Mündungsquerschnittes erfolgt durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 14 in Pfeilrichtung 18; der maximal mögliche Stellweg des Axialschiebers 14 bei der Überführung zwischen dessen Öffnungsposition und dessen Stauposition ist in 1 mit s2 gekennzeichnet.
  • Der Axialschieber 14 ist am Verdichtergehäuse verschieblich gelagert und wird von einem Federelement 19 in seine Öffnungsstellung beaufschlagt. Zur Überführung aus der in 1 dargestellten Öffnungsstellung in die Staustellung gemäß 3 wird der Axialschieber 14 entgegen der Federkraft des Federelementes 19 verschoben; hierbei wird das Drallgitter 17 in eine axiale Aufnahmeöffnung 20 im Axialschieber 14 eingeschoben.
  • In 2 ist das Sperrorgan 9 axial in seine Schließstellung verstellt, in welcher die Eintrittsöffnung 7 des Verdichtereinlasskanales 5 abgesperrt ist. Das Sperrorgan 9 ist als Sperrstempel ausgebildet, wobei in der Sperrstellung die Außenkontur des Sperrorganes die Außenkontur des Axialschiebers 14 berührt, so dass die Eintrittsöffnung 7 geschlossen ist.
  • Der Axialschieber 14 befindet sich in der in 2 dargestellten Lage noch in seiner Öffnungsstellung und ist noch nicht in Richtung seiner Staustellung verschoben. In dieser Konfiguration nimmt der Verdichter die Funktion einer Kaltluftturbine ein, da der über den Zusatzkanal zuzuführende Verbrennungsluftstrom aufgrund eines Druckgefälles das Verdichterrad antreibt und stromab des Verdichterrades auf einen Unterdruck entspannt wird.
  • Die Staustellung des Axialschiebers 14 ist in 3 dargestellt. Das Sperrorgan 9 ist nunmehr soweit in Richtung Verdichterrad 2 axial verschoben, dass der von dem Sperrorgan beaufschlagte Axialschieber 14 gegen die Kraft des Federelementes 19 in seine Stauposition verstellt ist, in welcher der Querschnitt des Mündungsbereiches 16 auf ein Minimum reduziert ist. Das Drallgitter 17 ist in Stauposition beinahe vollständig in der axialen Aufnahmeöffnung 20 im Axialschieber 14 aufgenommen. Durch den verbleibenden Spalt im Mündungsbereich 16 kann nur ein verhältnismäßig geringer Luftmassenstrom hindurchströmen, so dass das Verdichterrad 2 auch nur einen entsprechend geringen Drehimpuls erfährt.
  • Bei einer Verschiebung des Sperrorganes 9 in Gegenrichtung – weg vom Verdichterrad 2 – wird zunächst der Axialschieber 14 unter dem Einfluss des Federelementes 19 aus der Stauposition in seine Öffnungsposition verschoben, wobei in dieser Phase die Eintrittsöffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal 5 noch geschlossen bleibt. Nach dem Erreichen seiner Öffnungsposition, welche durch einen Anschlag gesichert sein kann, wird bei einem weiteren Verschieben des Sperrorganes 9 weg vom Verdichterrad 2 auch die Eintrittsöffnung 7 wieder geöffnet.
  • In 4 ist ein Schaubild mit dem Kurvenverlauf für die Querschnittsfläche A in der Eintrittsöffnung 7 zum Verdich tereinlasskanal sowie im Mündungsbereich 16 des Zusatzkanals in Abhängigkeit des Stellweges s des Sperrorgans dargestellt. Eingetragen sind die maximalen Stellwege s1 sowie s2 für das Sperrorgan bzw. den Axialschieber und der dazugehörige Gesamtquerschnitt von Eintrittsöffnung 7 einschließlich Mündungsbereich 16. Für einen Stellweg s = 0 soll die Eintrittsöffnung 7 vollständig abgesperrt sein und der Mündungsbereich 16 bis auf einen Restspalt geschlossen sein (Dralleinrichtung in Stauposition). Dieser Restspalt ist in dem Schaubild für s = 0 mit einem minimalen Querschnittswert A eingetragen. Mit ansteigendem Stellweg s wird das Sperrorgan in Richtung Öffnungsstellung verschoben, weg von dem Verdichterrad. Zunächst wird der Axialschieber aus der Stauposition in die Öffnungsposition überführt, wodurch der Querschnitt des Mündungsbereiches 16 vom Minimum ausgehend bis zu einem ersten Maximum ansteigt, das bei dem Stellweg s2 erreicht wird, welcher der Öffnungsstellung des Axialschiebers entspricht.
  • Im weiteren Verlauf wird bei weiterer Verschiebung des Sperrorganes zusätzlich die Eintrittsöffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal geöffnet, bis nach dem Zurücklegen des Stellwegs s1 die Eintrittsöffnung vollständig geöffnet ist und der Querschnitt ein Maximum erreicht.
  • Über eine Verschiebung eines Anschlages 21, welcher die Öffnungsstellung des Axialschiebers markiert, kann das Verhältnis der Querschnittsflächen von Mündungsbereich des Zusatzkanals zu Eintrittsöffnung zum Verdichtereinlasskanal beeinflusst werden.

Claims (12)

  1. Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem Verdichtereinlasskanal (5) drehbar gelagerten Verdichterrad (2), über das zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem Zusatzkanal (15), der in den Verdichtereinlasskanal (5) einmündet, wobei im Verdichtereinlasskanal (5) stromauf des Verdichterrades (2) ein einstellbares Sperrorgan (9) und im Mündungsbereich (16) des Zusatzkanals (15) in den Verdichtereinlasskanal (5) eine einstellbare Dralleinrichtung (14, 17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrorgan (9) die Dralleinrichtung (14, 17) beaufschlagt und eine Stellbewegung des Sperrorgans (9) eine Verstellung der Dralleinrichtung (14, 17) erzeugt.
  2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralleinrichtung (14, 17) in eine ihrer Endstellungen federbeaufschlagt ist und das Sperrorgan (9) gegen die Federrichtung auf die Dralleinrichtung (14, 17) wirkt.
  3. Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bewegungsabschnitt der Stellbewegung ausschließlich das Sperrorgan (9) zu verstellen ist und in einem darauf folgenden zweiten Bewegungsabschnitt die Dralleinrichtung (14, 17) zu verstellen ist.
  4. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbewegung in Achsrichtung des Verdichterrades (2) verläuft.
  5. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dralleinrichtung einen Axialschieber (14) und ein Drallgitter (17) im Mündungsbereich (16) des Zusatzkanals (15) umfasst, wobei der Axialschieber (14) zwischen einer das Drallgitter (17) freigebenden Öffnungsstellung und einer den Mündungsquerschnitt reduzierenden Staustellung verstellbar ist.
  6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Axialschieber (14) eine axiale Aufnahmeöffnung (20) zur Aufnahme des Drallgitters (17) in Staustellung eingebracht ist.
  7. Verdichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) über ein Federelement (19) in seine Öffnungsstellung beaufschlagt ist.
  8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) in Öffnungsstellung an einem gehäusefesten Anschlag (21) anliegt.
  9. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrorgan (9) einen axial verschieblichen Sperrstempel im Verdichtereinlasskanal umfasst, wobei über den Sperrstempel der Querschnitt einer Eintrittsöffnung (7) des Verdichtereinlasskanals (5) zwischen einer Öffnungs- und einer Schließposition veränderlich einstellbar ist.
  10. Verdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) einen Anschlag für das Sperrorgan (9) bildet, wobei das Sperrorgan (9) bei Erreichen der Schließposition de Eintrittsöffnung (7) zum Verdichtereinlasskanal (5) an den Axialschieber (14) anschlägt.
  11. Abgasturbolader mit einem Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einer Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine.
  12. Abgasturbolader nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine mit einer variablen Turbinengeometrie zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbineneintrittsquerschnitts ausgestattet ist.
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