DE3613857C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Axialdrallregler für einen Abgasturbolader nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Abgasturbolader finden bei Verbrennungsmotoren Verwendung, um Leistung und Dreh
moment bei günstigem Kraftstoffverbrauch zu erhöhen. Da Turbolader mit einem
Radialverdichter aufgrund ihrer Druck-Volumen-Charakteristik nicht in der Lage
sind, den gesamten Betriebsbereich der Verbrennungsmotoren zu überdecken, können
sich einerseits bei niederer Motordrehzahl und einem Vollastbetrieb Betriebszustän
de einstellen, die links von der Pump- bzw. Abreißgrenze des Verdichterkennfeldes
und andererseits bei hohen Motorendrehzahlen und Vollastbetrieb rechts von der Stopf
grenze des Verdichterfeldes liegen. Aus diesem Grund ist es üblich, Turbolader
derart auszulegen, daß die Pump- bzw. Abreißgrenze bei niederen Motordrehzahlen
sowie einem Teillast- bzw. Vollastbetrieb nicht nach links überschritten wird. Für
die Regelung dieses Betriebsverhaltens sind auf der Turbinenseite Bypass-Ventile
bekannt, z. B. durch die DE-OS 14 26 076, mit deren Hilfe ein Teil des Abgasstromes
um die Turbine herumgeführt werden kann, um bei Vollast und hoher Drehzahl hohe
Ladedrücke zu vermeiden. Bei dieser Regelung geht ein Teil der Abgasenergie
ungenutzt verloren.
Generell aber beeinflussen turbinenseitige Regelungen für Turbolader nur die
Leistung bzw. das Drehmoment. Sie sind geeignet, den augenblicklichen Leistungs
bedarf des Verdichters innerhalb der durch die verfügbare Abgasmenge und
Abgastemperatur gegebenen Grenzen den Erfordernissen anzupassen. Sie verändern
dabei den Massenstrom, nicht jedoch das Verdichterkennfeld. Als Folge davon ist es
durchaus möglich, daß der Verdichterbetriebspunkt aus dem Bereich guten Wir
kungsgrades herauswandert oder gar in den Pumpbereich geraten kann.
Durch die DE-OS 14 26 076 ist auch eine verdichterseitige Turboladerregelung
bekannt, wobei mittels einer Drosselklappe im Saugbereich der Volumenstrom
reduziert, ja sogar ganz unterbunden werden kann. Eine Unterbindung des Volumen
stroms kann wünschenswert sein, um bei einer vorübergehenden Entlastung des
Motors, z. B. beim Auskuppeln, dafür zu sorgen, daß der Verdichter keine Leistung
mehr aufnimmt und der Turboladerrotor nicht zu stark in der Drehzahl absinkt. Mit
dieser verdichterseitigen Turboladerregelung ist eine Veränderung der nutzbaren
Kennfeldbreite jedoch nicht möglich.
Durch die DE-AS 16 27 232 ist ein Axialdrallregler für Verdichter mit größeren
Abmessungen bekannt, mit welchem eine Kennlinienverschiebung möglich ist. Bei
diesem Axialdrallregler besteht der Strömungskanal, in welchem die Leitschaufeln
des axialen Leitapparates angeordnet sind, aus zwei zylindrischen Mantelabschnitten
mit nur geringfügig verschiedenen Durchmessern und einem dazwischen liegenden
Kugelabschnitt, bei welchem der Kugelradius größer als der Radius des größeren
zylindrischen Mantelabschnittes ist, d. h., der Strömungskanal erfährt im Bereich der
Leitschaufeln eine Durchmesservergrößerung. Diese Durchmesservergrößerung im
Strömungskanal führt zu einer Strömungsablösung und zu einer Vergrößerung der
durch einen Geschwindigkeitssprung an den Leitschaufeln ausgelösten Wirbel
schleppe. Da der verdichterseitig an den Kugelabschnitt anschließende zylindrische
Mantelabschnitt einen nur unwesentlich kleineren Durchmesser als der erste
zylindrische Mantelabschnitt hat, ist eine rasche Unterdrückung der Störung der
Strömung vor dem Eintritt in den Verdichter nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Axialdrallregler für einen
Turbolader zu schaffen, mit dem der Vertriebsbereich des Verbrennungsmotors bei
bestem Wirkungsgrad bzw. günstigem Kraftstoffverbrauch noch weiter erweitert
werden kann. Insbesondere sollen bei jeder Motordrehzahl sowohl bei Vollast als auch
bei Teillast diese optimalen Betriebsbereiche schnell und ökonomisch erreicht
werden, das heißt, auch extreme Betriebszustände und deren plötzliche Änderungen
wirtschaftlich gefahren werden können. Der nutzbare Regelbereich muß so breit und
das Verdichterkennfeld so verschiebbar ausgelegt sein, daß der jeweilige Betriebs
punkt im Bereich des besten Wirkungsgrades liegt und die Pumpgrenze durch die
Verschiebung des Kennlinienfeldes den jeweiligen Betriebspunkt nicht tangiert.
Diese Aufgabe wird durch die die Erfindung im Anspruch 1 kennzeichnenden
Merkmale gelöst.
Durch die Maßnahmen der Erfindung wird erreicht, daß hinter den schwenkbaren
Leitschaufeln der an den Kugelabschnitt anschließende zweizylindrische Abschnitt
einen wesentlich kleineren Radius hat und damit die Verkleinerung des Querschnitt
des Strömungskanals eine beschleunigte Düsenströmung erzeugt, wodurch die
Nachlaufstörungen der Leitschaufeln, und insbesondere die durch den Grenz
schichteffekt ausgelösten Nachlaufdellen, rasch unterdrückt werden und eine
gesunde, gleichmäßige Zuströmung zum Verdichterlaufrad gewährleistet wird.
Dadurch kann man erreichen, daß durch eine Verstellung der Leitschaufeln die
Pumpgrenze so weit nach links verschoben wird, daß die in Abhängigkeit von der
Motorbelastung, dem Kraftstoffbedarf und der Motordrehzahl erforderliche Lade
luftmenge und der erforderliche Ladeluftdruck auch bei extremen Betriebszuständen
und deren plötzlichen Änderung zur Verfügung stehen, wobei das Kennlinienfeld so
verschoben ist, daß der Betriebsdruck immer rechts von der Pumpgrenze liegt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Für die vorteilhafte Wirkung der Erfindung haben sich Verhältnisse der Durchmes
ser vom ersten Zylinderabschnitt zum zweiten Zylinderabschnitt zwischen 1,4 und
1,6 und vorzugsweise zwischen 1,45 und 1,5 als besonders zweckmäßig erwiesen,
wobei die Maßnahmen der Erfindung die Möglichkeit bieten, auch bei den heutzutage
im Kraftfahrzeugbau verwendeten Turboladern mit sehr kleinen Verdichterraddurch
messern dafür zu sorgen, daß optimale Betriebsbedingungen im gesamten Motorbe
triebsbereich möglich sind.
Bei den geringen Abmessungen der für den Kraftfahrzeugbereich üblichen Turbola
der - wobei der erste zylindrische Mantelabschnitt bei Standardturboladern im
Bereich von 60 mm und kleiner liegen kann - ist es besonders wichtig, dafür Sorge
zu tragen, daß die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen, die sich bei den kleinen
absoluten Abmessungen beim Zusammenbau verhältnismäßig stark auswirken, die
Funktionsweise nicht stören. Daher sieht die Erfindung Maßnahmen vor, daß der
Leitapparat so zusammenbaubar ist, daß eine einwandfreie Einstellung ohne
Klemmen möglich wird, und daß erst danach durch eine kraftschlüssige Verschrau
bung die Fixierung erfolgt. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß die Wellen der
Drehachsen der Leitschaufeln im Gehäuse wälzgelagert sind und außerhalb des
Gehäuses die Verstellhebel tragen, und daß die Leitschaufeln, das Wälzlager und die
Verstellhebel kraftschlüssig verspannt sind. Ferner ist vorgesehen, daß das freie
Ende der Verstellhebel einen Kugelzapfen trägt, der in einer zur Laderachse
parallelen Nut in dem Verstellring geführt ist, wobei der Verstellring konzentrisch
zur Laderachse auf dem Außenumfang des Gehäuses auf einer zylindrischen
Ringfläche gelagert ist. Dieses Lager ist vorzugsweise ein Nadellager.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der
Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch einen an einem Deckel eines Verdichtergehäuses
montierten Axialdrallregler;
Fig. 2 ein Kennlinienfeld, aus welchem die Verschiebung der Pumpgrenze in
Abhängigkeit von der Schaufelstellung für zwei Umfangsgeschwindigkeiten
dargestellt ist.
Der in Fig. 1 dargestellte und auf dem Spiralgehäuse des Verdichters eines
Turboladers für Verbrennungsmotoren montierte Axialdrallregler 1 besteht aus
einem Gehäuse 6, in dessen Innern der Strömungskanal verläuft, in welchem ein
Leitapparat 2 mit verstellbaren Leitschaufeln 5 angeordnet ist. Der Strömungskanal
hat einen ersten Zylinderabschnitt 9, der sich vor dem Leitapparat 2 erstreckt und
in einen Kugelabschnitt 10 übergeht, dessen Kugelradius gleich dem Radius des
ersten Zylinderabschnittes 9 ist. An den Kugelabschnitt 10 schließt
ein zweiter Zylinderabschnitt 11 an, dessen wesentlich kleiner als der
erste Zylinderabschnitt 9 ist und in welchen der Kugelabschnitt mit einem als
Düsenabschnitt 12 ausgebildeten Teil übergeht. Ein Diffusorabschnitt, in welchem
sich das Verdichterrad dreht, schließt an den zweiten Zylinderabschnitt 11 an.
Der Leitapparat 2 besteht aus einem Kranz von Leitschaufeln 5, welche sich über
den Querschnitt des Strömungskanals erstrecken und im wesentlichen einen
Kreisausschnitt von solcher Form und Teilung haben, daß die Leitschaufeln 5 bei
völliger Schließung des Leitapparates 2 den Querschnitt des Strömungskanals fast
ganz überdecken. In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist lediglich eine Leitschaufel 5
dargestellt.
Die Drehachse der einzelnen Leitschaufeln 5 verläuft jeweils in der Schaufelein
trittskante, so daß die nach außen ragende Welle der Leitschaufeln in der
Verlängerung der Eintrittskante verläuft. Im Bereich der Ebene der Drehachse
beginnt der Kugelabschnitt 10, der - wie bereits erwähnt - einen dem Radius des
ersten Zylinderabschnittes 9 entsprechenden Kugelradius hat. Die Basis der
Leitschaufeln verläuft ebenfalls kreisbogenförmig mit einem Radius, der dem
Kugelradius entspricht, so daß sich bei dem Verschwenken der Leitschaufeln eine
gleichbleibende, gleichmäßige Spaltbreite für alle Winkelstellungen ergibt und die
Hinterkante der Leitschaufel der Kanalkontur folgt. Die Welle der Leitschaufeln 5
ist im Gehäuse 6 mit einem Wälzlager 13 gelagert und trägt auf dem außerhalb des
Gehäuses 6 befindlichen Abschnitt einen Verstellhebel 14, dessen freies Ende mit
einem radial nach innen weisenden Kugelzapfen 16 versehen ist. Die jeweilige
Leitschaufel 5 und das dazugehörige Wälzlager sowie der dazugehörige Verstellhe
bel 14 werden mit Hilfe einer Schraubenmutter 15 kraftschlüssig gegeneinander
verspannt. Das Wälzlager 13 ist in einer auf der Außenseite des Gehäuses 6
angebrachten Buchse fixiert. Im Bereich neben der Buchse ist das Gehäuse
konzentrisch zur Laderachse 3 mit einer zylindrischen Ringfläche 19 versehen, auf
der ein Verstellring 18 mit Hilfe eines Nadellagers 20 gehaltert und gelagert ist. Der
Verstellring ist auf seiner Außenseite mit zur Laderachse parallel verlaufenden
Nuten 17 versehen, in welche die Kugelzapfen 16 eingreifen. Durch Drehen des
Verstellringes kann somit über die Verstellhebel 14 der Leitschaufelkranz in der
gewünschten Weise winkelverstellt werden, um den Drall der Strömung zu
beeinflussen. Da die absoluten Abmessungen aufgrund der Größe des Turboladers
verhältnismäßig klein sind und infolgedessen die unvermeidlichen Toleranzen beim
Zusammenbau verhältnismäßig stark wirksam sind, werden die jeweilige Leitschau
fel, das Wälzlager und der dazugehörige Verstellhebel zunächst ohne Verklemmen
bzw. Verspannen zusammengebaut und die erforderlichen Verstellpositionierungen
vorgenommen, bevor die Schraubmutter 15 angezogen wird, um die einzelnen Teile
in der genau positionierten Lage kraftschlüssig zu verspannen. Bei der Verwendung
einer formschlüssigen Verspannung wäre wegen der unvermeidlichen Fertigungstole
ranzen eine genaue Positionierung äußerst schwierig.
Im Interesse einer optimalen Regelung auch bei extremen Betriebszuständen und
deren plötzlichen Änderung muß dafür gesorgt werden, daß - wie bereits erwähnt -
Nachlaufstörungen an den Leitschaufeln möglichst rasch unterdrückt und ausgegli
chen werden. Dies geschieht durch die Beschleunigung der Strömung im Bereich des
Düsenabschnittes 12, wobei durch die Verjüngung des Querschnittes die gewünschte
Strömungsbeschleunigung erzielt wird. Als besonders vorteilhaft hat sich für die
Verjüngung ein Durchmesserverhältnis D 1/D 2 von etwa 1,4 bis etwa 1,6 ergeben.
Vorzugsweise liegt dieses Verhältrnis zwischen 1,45 und 1,5, wobei die Anzahl der
Leitschaufeln für Unterschiede in den Verhältniswerten ausschlaggebend sein kann.
Es hat sich gezeigt, daß mit einem Leitapparat, bestehend aus 5 bis 14
Leitschaufeln die gewünschte Verschiebung des Kennlinienfeldes zur Optimierung
des Motorbetriebs auch bei extremen Betriebszuständen erzielbar ist.
Aus Fig. 2 geht ein Kennlinienfeld hervor, bei dem das Verhältnis des ausgangssei
tigen Druckes zum eingangsseitigen Druck über dem eingangsseitigen Volumenstrom
aufgezeichnet ist. Das Diagramm läßt erkennen, daß sich bei einer Winkelverstel
lung der Leitschaufeln 5 mit zunehmendem Winkel eine Verschiebung der strich
punktiert dargestellten Lage der Pumpgrenze nach links erzielen läßt, wobei die
Betriebspunktkennlinien für zwei Umfangsgeschwindigkeiten eingezeichnet sind. Die
ausgezogene Kurvenschar ist der niederen Umfangsgeschwindigkeit und die gestri
chelte Kurvenschar der höheren Umfangsgeschwindigkeit zugeordnet. Die auf der
Abszisse aufgetragenen Werte des Volumenstroms sind relativiert und in Prozent
aufgetragen, wobei 100% dem an der Stopfgrenze auftretenden Volumenstrom
zugeordnet ist.
Claims (3)
1. Axialdrallregler für einen Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren
mit Radialverdichter, bestehend aus einem axialen Leitapparat (2)
mit einem Kranz sich radial zur Laderachse (3) erstreckende, um
radial ausgerichtete Drehachsen (4) schwenkbaren Leitschaufeln (5),
welche in einem Strömungskanal in einem Gehäuse (6) angeordnet
sind, dessen innere Wand (7) in Strömungsrichtung (8) gesehen einen
ersten Zylinderabschnitt (9) und einen Kugelabschnitt (10) sowie eine
düsenförmige Verengung umfaßt, und mit an den entlang der Drehach
sen (4) nach außen ragenden Wellen der Leitschaufeln (6) angeordne
ten Verstellhebeln (14), welche in einen das Gehäuse (6) konzentrisch
schließenden Verstellring (18) eingreifen,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Kugelradius des Kugelabschnittes (10) gleich dem Radius des ersten Zylinderabschnitts (9) ist;
- - daß der Kugelabschnitt (10) düsenförmig in einen zweiten Zylin derabschnitt (11) von wesentlich kleinerem Radius übergeht;
- - und daß die Drehachsen (5) der Leitschaufeln jeweils in der Schaufeleintrittskante liegen.
2. Axialdrallregler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Übergang des Gehäusemantels vom ersten Zylinderabschnitt
(9) zum Kugelabschnitt (10) in der Ebene der Drehachsen (4) der
Leitschaufeln (5) liegt.
3. Axialdrallregler nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Durchmesser vom ersten Zylinderabschnitt
(9) zum zweiten Zylinderabschnitt (11) zwischen 1,4 und 1,6 und
vorzugsweise zwischen 1,45 und 1,5 liegt.
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