-
Die Erfindung betrifft einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie einen Abgasturbolader gemäß Patentanspruch 10.
-
Luftführungsabschnitte für Abgasturbolader, die einen veränderbaren Eintrittsquerschnitt stromauf eines Verdichterrades des Luftführungsabschnitts aufweisen, sind bekannt. Diese veränderbaren Eintrittsquerschnitte dienen einer so genannten kennfeldstabilisierenden Maßnahme. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Verschiebung einer Pumpgrenze des Wirkkomplexes Luftführungsabschnitt und Verdichterrad herbeigeführt wird.
-
Aus der Patentschrift
DE 10 2010 026 176 B4 geht ein Luftführungsabschnitt hervor, welcher in seinem Einströmkanal stromauf des Verdichterrades ein bewegbares Element aufweist, welches eine ihm zugewandt ausgebildete Stirnfläche des Verdichterrades überdeckbar ausgebildet ist, wobei die Überdeckung ausgehend von einer Kanalwandung des Einströmkanals Richtung einer Kanalmitte des Einströmkanals erfolgt.
-
Eine vergleichbare Vorgehensweise zur Verringerung des Kanalquerschnitts kann der Patentschrift
DE 10 2012 011 423 B3 entnommen werden. Hier ist ein elastisches Element offenbart, dass ausgehend von der Kanalwandung sich durch Zufuhr von Druckluft in Richtung der Kanalmitte ausdehnt um so den Eintrittsquerschnitt zu reduzieren.
-
Aus der Offenlegungsschrift
EP 3 236 077 A1 ist ein Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader bekannt, welcher eine Blende aufweist, welche eine Querschnittsänderung eines Eintrittsquerschnitts des Luftführungsabschnitts herbeiführbar ausgeführt ist. Die Blende weist zumindest zwei bewegbar ausgebildete Teile auf, die mit Hilfe einer Verstelleinheit relativ zueinander bewegt werden. Die Blende kann aus dem Eintrittsquerschnitt vollständig entfernt werden.
-
Der Offenlegungsschrift
US 2009 / 0 095 350 A1 kann ebenfalls ein Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader entnommen werden, welcher eine Blende zur Querschnittsänderung eines Eintrittsquerschnitts des Luftführungsabschnitts besitzt, wobei die Blende zwei relativ zueinander bewegbare Teile aufweist, die mit Hilfe eines Aktuators bewegbar sind.
-
Auch der Patentanschrift
EP 3 682 115 B1 ist ein Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader zu entnehmen, welcher eine Blende aufweist zur Querschnittsänderung eines Eintrittsquerschnitts des Luftführungsabschnitts. Die Blende umfasst drei relativ zueinander bewegbare Teile, die mit Hilfe eines Aktuators bewegbar sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader anzugeben. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde einen Abgasturbolader anzugeben, welcher sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
-
Diese Aufgaben werden durch einen Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt für einen Abgasturbolader, welcher durchströmbar ausgebildet ist, weist eine Radkammer zur drehbaren Aufnahme eines Verdichterrades mit einer Mehrzahl von Laufradschaufeln auf. Des Weiteren ist ein Spiralkanal stromab der Radkammer im Luftführungsabschnitt ausgebildet, wobei zwischen der Radkammer und dem Spiralkanal ein Diffusorkanal im Luftführungsabschnitt ausgeführt ist. Stromauf der Radkammer ist ein Eintrittskanal im Luftführungsabschnitt zum Einströmen von zu verdichtendem Fluid ausgebildet, wobei im Eintrittskanal eine Querschnittsänderungseinheit zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts des Eintrittskanals angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Querschnittsänderungseinheit zur Änderung des Eintrittsquerschnitts ein Wirkelement auf, welches zumindest zwei bewegbar ausgebildete Elementteile zur Herbeiführung einer Blende aufweist, die mit Hilfe einer Verstelleinheit translatorisch und/oder rotatorisch in den Eintrittsquerschnitt hineinragbar oder aus dem Eintrittsquerschnitt vollständig entfernbar ausgebildet sind.
-
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Querschnittsänderungseinheit erlaubt ein schnelles Öffnen und Schließen innerhalb von Sekundenbruchteilen wie sie für den Betrieb in automobilen Anwendungen erforderlich sind. Darüber hinaus ist der Bauraumbedarf stromauf des Verdichters im Gegensatz zu vielen bekannten Konzepten sehr gering; dadurch kann das System in heute bekannten/üblichen Bauräumen ohne größere Änderungen integriert werden.
-
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts weisen die Elementteile Wirkabschnitte auf, die einander zugewandt eine Durchströmöffnung ausbildend aufgebaut sind. Somit kann auf einfache Weise, insbesondere bei einer konkaven Ausgestaltung der Wirkabschnitte durch ein gegenüberliegendes Anordnen der Elementteile die Durchströmöffnung herbeigeführt werden.
-
Die Wirkabschnitte können dann bevorzugt im geschlossenen Zustand des Wirkelementes einen Kreisumfang bildend ausgestaltet sein, da der Eintrittskanal des Luftführungsabschnitts überwiegend einen kreisförmigen Eintrittsquerschnitt aufweist. Jedoch können die Wirkabschnitte auch eine von der Kreisform abweichende Durchströmöffnung bildend ausgestaltet sein.
-
Die beiden Elementteile sind an einem Elementende gemeinsam im Luftführungsabschnitt fixiert angeordnet, wobei eine Relativbewegung der Elementteile in insbesondere eine entgegengesetzte Richtung herbeiführbar ist. Der Vorteil ist die Fixierung des Wirkelementes an einer einzigen Stelle im Luftführungsabschnitt.
-
Sofern die Elementteile spiegelgleich ausgebildet sind, können sie in einer hohen Stückzahl kostengünstig hergestellt werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts ist das Wirkelement mit Hilfe einer Zwangsführung bewegbar ausgeführt. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Kulissenführung ausgebildet ist, welche eine eindeutige und damit gesicherte Bewegung des Wirkelementes realisieren lässt. Insbesondere sofern die Zwangsführung in Form einer gekrümmten Nut im Luftführungsabschnitt ausgebildet ist, kann ein Verklemmen der Querschnittsänderungseinheit vermieden werden.
-
In einem weiter kostengünstigen da einfachen Aufbau der Querschnittsänderungseinheit sind die Elementteile und die Elementteile mit der Verstelleinheit wirkverbindenden Bewegungselemente mit Hilfe einer Stift-Verbindung miteinander verbunden. StiftVerbindungen stellen eine sichere Verbindung insbesondere zweier bewegbar zueinander ausgebildeter Bauteile dar. Die Stift-Verbindung kann in einer Nietverbindung und/oder mit Hilfe eines Sicherungselementes ausgebildet sein, damit die zumindest zwei Bauteile unverlierbar mit Stift und relativ zueinander und dem Stift bewegbar ausgeführt sind.
-
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts sind die die Elementteile mit der Verstelleinheit verbindenden Bewegungselemente sich geradlinig erstreckend ausgestaltet, wodurch bei kostengünstiger Herstellung zugleich eine stabile Querschnittsänderungseinheit realisiert ist.
-
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, aufweisend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen durchströmbaren Luftführungsabschnitt. Im Abgasführungsabschnitt ist ein Turbinenrad in einer Radkammer des Abgasführungsabschnitts drehbar aufgenommen. Im Luftführungsabschnitt ist ein Verdichterrad in einer Radkammer des Luftführungsabschnitts ebenfalls drehbar aufgenommen, wobei das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist der Luftführungsabschnitt nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet. Der erfindungsgemäße Luftführungsabschnitt führt im Vergleich zum Stand der Technik zu einer Verschiebung der Pumpgrenze des Abgasturboladers, so dass eine Steigerung hin zu kleineren Massenströmen durch den Luftführungsabschnitt möglich ist. Insgesamt steigert sich im Bereich der kleinen Massenströme der Wirkungsgrad des Abgasturboladers, und es kann demzufolge eine Reduzierung von verbrennungskraftmaschinenspezifischen Emissionen einer in Verbindung mit dem Abgasturbolader stehenden Verbrennungskraftmaschine herbeigeführt werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt mit einem Einlasskanal in einer vollständig geöffneten Position einer Querschnittsänderungseinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 in einem Längsschnittausschnitt den Luftführungsabschnitt gem. 1 mit dem Einlasskanal in teilweise verengender Position der Querschnittsänderungseinheit,
- 3 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitt mit einem Einlasskanal in einer vollständig verengenden Position der Querschnittsänderungseinheit,
- 4 in einer Draufsicht ein Wirkelement der Querschnittsänderungseinheit des erfindungsgemäßen Luftführungsabschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels in seiner vollständig verengenden Position, und
- 5 in einer Draufsicht das Wirkelement gem. 4 in einer vollständig geöffneten Position.
-
Ein erfindungsgemäßer Luftführungsabschnitt 1 eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers 2 in einem ersten Ausführungsbeispiel, welcher durchströmbar ausgebildet ist, ist in 1 illustriert. Der Luftführungsabschnitt 1 ist in einem Ansaugstrang einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei die Verbrennungskraftmaschine bspw. ein Ottomotor oder ein Dieselmotor ist. Der Abgasturbolader 2 weist weiterhin einen nicht näher dargestellten durchströmbaren Abgasführungsabschnitt und einen nicht näher dargestellten Lagerabschnitt auf, wobei der Luftführungsabschnitt in einem nicht näher dargestellten Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar aufgenommen ist.
-
Der Abgasturbolader 2 umfasst ein Laufzeug 3, welches ein Verdichterrad 4 zum Ansaugen und Verdichten von Verbrennungsluft, ein nicht näher dargestelltes Turbinenrad zur Expansion von Abgas sowie eine das Verdichterrad 4 mit dem Turbinenrad drehfest verbindende, nicht näher dargestellte Welle aufweist. Die Welle ist im Lagerabschnitt des Abgasturboladers 2 drehbar gelagert, welcher zwischen dem Luftführungsabschnitt 1 und dem Abgasführungsabschnitt positioniert ist.
-
Zur Einströmung des Abgases in den Abgasführungsabschnitt weist dieser zumindest einen nicht näher dargestellten Spiralkanal und einen stromauf des Spiralkanals im Abgasführungsabschnitt ausgebildeten nicht näher dargestellten Eintrittskanal auf. Der Eintrittskanal dient einer Konditionierung des Abgases, welches im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine das Turbinenrad in eine rotierende Bewegung versetzt. Mit Hilfe der Welle wird das Verdichterrad 4 ebenfalls in Rotation versetzt, so dass es Verbrennungsluft ansaugt und verdichtet.
-
Das Verdichterrad 4 ist in einer Radkammer 5 des Luftführungsabschnitts 1 um seine Drehachse 6 drehbar aufgenommen und weist an einer Nabe 7 eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 8 auf. Stromab der Radkammer 5 ist ein ringförmiger Spiralkanal 9 das Verdichterrad 4 umfassend ausgebildet, wobei zwischen dem Spiralkanal 9 und der Radkammer 5 ein Diffusorkanal 10 zur weiteren Konditionierung des vom Verdichterrad 4 angesaugten und verdichteten Fluids ausgestaltet ist. Stromauf der Radkammer 5 weist der Luftführungsabschnitt 1 einen Eintrittskanal 11 auf, über den das zu verdichtende Fluid einströmen kann.
-
Im Eintrittskanal 11 ist eine Querschnittsänderungseinheit 12 zur Veränderung eines Eintrittsquerschnitts 13 des Eintrittskanals 11 angeordnet. Die Querschnittsänderungseinheit 12 umfasst ein Wirkelement 14 und eine das Wirkelement 14 bewegbare Verstelleinheit 15.
-
Das Wirkelement 14 ist blendenformartig ausgebildet und weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei bewegbare Elementteile 17, 18, ein erstes Elementteil 17 und ein zweites Elementteil 18, auf, die in einer den Eintrittsquerschnitt 13 verengenden Position, einer Schließposition des Wirkelementes 14, zur Herbeiführung einer ringförmigen Blende 16 angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass in der Schließposition aufgrund der Positionierung der Elementteile 17, 18 die ringformartige Blende 16 ausgebildet ist.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Wirkabschnitte 19 der beiden Elementteile 17, 18 ringsegmentartig ausgebildet, wobei die Elementteile 17, 18 Bewegungselemente 20 in Form von Hebelarmen aufweisen, damit die Wirkabschnitte 19 die ringförmige Blende 16 realisieren.
-
Die ringförmige Blende 16 ist nicht so zu verstehen, dass sie auch in axialer Richtung entlang der Drehachse 6 geschlossen ausgebildet ist. Hier können sich die Wirkabschnitte 19 kontaktieren, sie können auch beabstandet voneinander ausgebildet sein. Ebenso ist die Anzahl der Wirkabschnitte 19 resp. die Anzahl der sie aufweisenden Elementteile 17, 18 nicht auf zwei begrenzt. Diese können sich insbesondere in der Schließposition einseitig als auch beidseitig überlappend ausgeführt sein. Ebenso können sie in einer Ebene ausgebildet sein als auch in unterschiedlichen Ebenen.
-
In der vollständig geöffneten Position, wie in den 1a und 1b illustriert, sind insbesondere die Wirkabschnitte 19 den Eintrittsquerschnitt 13 vollständig freigebend angeordnet.
-
In den 2a und 2b sind die Wirkabschnitte 19 den Eintrittsquerschnitt 13 in Richtung auf das Verdichterrad 4 teilweise reduzierend angeordnet. In den 3a und 3b sind die Wirkabschnitte 19 den Eintrittsquerschnitt 13 in ihrer vollständigen Schließposition verengend angeordnet. Die vollständige Schließposition ist nicht derart zu verstehen, dass der Eintrittsquerschnitt 13 vollständig geschlossen wird. Dies würde bei Rotation des Laufzeugs 3 zu einem Unterdruck führen, der zu Schäden am Laufzeug 3 führen könnte. Die Wirkabschnitte 19 sind den Eintrittsquerschnitt 13 an ihrer Position maximal verkleinernd angeordnet.
-
Das Wirkelement 14 des ersten Ausführungsbeispiels ist zangenförmig ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die beiden Elementteile 17, 18 an nur einem ihrer gegenüberliegenden ersten Elementenden 21 miteinander und relativ zueinander bewegbar ausgeführt sind. Hierzu sind die an diesen ersten Elementenden 21 ausgebildeten Bewegungselemente 20 mit Hilfe eines Stiftes 22 verbunden, welcher in jeweils einer Aufnahmeöffnung 23 der Bewegungselemente 20 eine Relativbewegung der beiden Elementteile 17, 18 zueinander herbeiführbar, angeordnet ist. Der Stift 22 ist im Luftführungsabschnitt 1 unbewegbar aufgenommen, wodurch eine Fixierung des Wirkelementes 14 im Bereich der ersten Elementenden 21 herbeigeführt ist.
-
An ihren von den ersten Elementenden 21 abgewandt ausgebildeten zweiten Elementenden 24 sind die beiden Elementteile 17, 18 unabhängig voneinander ausgebildet, wodurch im teilweise oder vollständig geöffneten Zustand des Wirkelementes 14 eine Form ähnlich einer geöffneten Zangenform ausgebildet ist.
-
Zur klemmfreien Bewegung des Wirkelementes 14 ist die Verstelleinheit 15 mit den von den Bewegungselementen 20 am ersten Elementende 21 beabstandeten Bewegungselementen 20, welche mit den Elementteilen 17, 18 wirkverbunden ausgeführt sind, wirkverbunden ausgebildet. Zur Herbeiführung der Wirkverbindung zwischen den Elementteilen 17, 18 und diesen Bewegungselementen 20 weisen die Wirkabschnitte 19 jeweils an ihrer Außenfläche 25 ein Aufnahmeelement 26 auf, welches einer bewegbaren Verbindung des Bewegungselementes 20 und des Elementteils 17; 18 dient. Das Aufnahmeelement 26 ist in Form einer Öse ausgeführt, wobei mit Hilfe eines weiteren Stiftes 27 eine einfache Verbindung mit dem Bewegungselement 20 herbeigeführt ist. Der weitere Stift 27 ist in einer weiteren Aufnahmeöffnung 28 des Bewegungselementes 20 aufgenommen, derart, dass der weitere Stift 27 eine Wirkverbindung zwischen dem Bewegungselement 20 und dem entsprechenden Elementteil 17; 18 ausbildet.
-
Der weitere Stift 27 ist in einer Nut 29 zwangsgeführt angeordnet, wobei die Nut 29 im Luftführungsabschnitt 1 ausgestaltet ist. Zur vereinfachten Herstellung ist in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel die Nut 29 in einem Einsatzelement in Form einer Ringscheibe ausgebildet, welche in den Eintrittskanal 11 einlegbar ist. Somit ist eine Kulissenführung herbeigeführt, welche zur klemmfreien Bewegung des Wirkelementes 14 eingesetzt ist.
-
Im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist die Verstelleinheit 15 dem ersten Elementende 21 benachbart angeordnet. Ebenso könnte es auch den zweiten Elementenden 24 benachbart positioniert sein.
-
In den 4 und 5 ist das Wirkelement 14 des Luftführungsabschnitts 1 in einem zweiten Ausführungsbeispiel in seiner den Eintrittsquerschnitt 13 maximal verkleinernden Position bzw. in der den Eintrittsquerschnitt 13 vollständig freigebenden Position dargestellt. Die Wirkabschnitte 19 sind mit den Bewegungselementen 20 teilweise fest und teilweise relativ zueinander bewegbar ausgebildet. An dem vom ersten Elementende 21 abgewandt ausgebildeten zweiten Elementende 24 der Elementteile 17, 18 sind die beiden Wirkabschnitte 19 der Elementteile 17, 18 miteinander über weitere Bewegungselemente 20 miteinander verbunden. Im vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel liegen drei Bewegungselemente 20 im Bereich des zweiten Elementendes 24 vor, die miteinander und mit den Elementteilen 17, 18 relativ zueinander bewegbar verbunden sind. Zwei der drei Bewegungselemente 20 sind an ihren Enden mit den Wirkabschnitten 19 des Wirkelements 14 bewegbar verbunden, wobei sie an ihren von diesen Enden abgewandt ausgebildeten Enden mit dem dritten Bewegungselement 20 bewegbar zueinander verbunden sind. Mit Hilfe des dritten Bewegungselementes 20 wird eine Stabilität bei der Verstellung der Wirkabschnitte 19 herbeigeführt, wobei das dritte Bewegungselement 20, welches die beiden anderen Bewegungselemente 20 miteinander verbindend ausgeführt ist, eine translatorische Bewegung in Richtung des ersten Pfeiles 30 und die beiden anderen Bewegungselemente 20 eine rotatorische Bewegung in Richtung des zweiten Pfeiles 31 bzw. des dritten Pfeiles 32 ausübend ausgebildet sind.
-
Beide vorgestellten Ausführungsbeispiele weisen Elementteile 17, 18 auf, welche im geschlossenen Zustand, somit bei dem maximal möglichen kleinsten Eintrittsquerschnitt 13, an ihren dem zweiten Elementende 24 zugewandt ausgebildeten Elementteilenden 33 zumindest berührend, bevorzugterweise über einen Winkelbereich von mindestens 2° überlappend ausgebildet sind.
-
In der Einstellung des vollständig freigegebenen Eintrittsquerschnitts 13 liegen die Bewegungselemente 20 und insbesondere die Verstelleinheit 15 vollständig außerhalb des Eintrittsquerschnitts 13 wie auch die Elementteile 17, 18 selbst.
-
Die einander gegenüberliegenden Elementteilenden 33 der Elementteile 17, 18 und/oder der Bewegungselemente 20 können glatt und/oder konturiert, z.B. in Form eines Nut-Feder-Eingriffs, und/oder mit insbesondere elastisch ausgebildeten Dämpfungselementen zur Vermeidung von akustisch auffälligem Zusammenstoß ausgebildet sein.
-
Insbesondere die Wirkabschnitte 19, allerdings auch das gesamte Wirkelement 14 können insbesondere an ihren in der Strömung stehenden Flächen konturiert, bspw. gefast oder abgerundet, zur verbesserten Strömungsführung ausgebildet sein.
-
In den beiden vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist das Wirkelement 14 in Form einer scheibenförmig ausgebildeten Blende ausgeführt. Ebenso könnte es sich jedoch auch über eine bestimmte axiale Erstreckung, d.h. mit anderen Worten im geschlossenen Zustand hülsenförmig ausgebildet sein, und eine über die entsprechende axiale Erstreckung Strömungsführung ermöglichen.
-
Es sind unterschiedliche Verstelleinheiten 15 zur Zwangsführung der Bewegung des Wirkelementes 14 denkbar. So ist in den Ausführungsbeispielen sowohl eine rein rotatorische Bewegung des Wirkelementes 14 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und eine translatorische sowie rotatorische Bewegung des Wirkelementes 14 wie im zweiten Ausführungsbeispiel erläutert vorgesehen.
-
Ebenso kann die Bewegung des Wirkelementes 14 gedämpft ausgeführt werden oder insbesondere die Bewegung kontrolliert herbeigeführt werden, damit akustisch störende Geräusche vermieden werden. Das heißt mit anderen Worten, es sind Dämpfungseigenschaften und/oder eine Kontrolle des Geschwindigkeitsgradienten „kurz vor Schließen“ des Wirkelementes 14 (zwecks Vermeidung eines akustisch störenden Zusammenstoßes der Einzelelemente bei Erreichen der Schließposition) der Verstelleinheit 15 vorgesehen.
-
Die Bewegungselemente 20 sind zur Herbeiführung einer kostengünstigen Herstellung leisten- oder stabförmig unter geradliniger Erstreckung ausgebildet.
