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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verdichter, insbesondere Gasverdichter,
und speziell einen Verdichter mit einer variablen Geometrie, um
die Verdichterzerstäuberströmungsfläche an unterschiedliche
Luftmassenströmungsmengen
anpassen zu können.
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Stand der Technik
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Eine
herkömmliche
Verdichtervorrichtung, beispielsweise ein in Verbindung mit einem
Verbrennungsmotor eingesetzter Turbolader, beinhaltet eine abgasbetriebene
Turbine und einen Einlassluftverdichter. Der Einlaßluftverdichter
wird von der durch die abgasbetriebene Turbine erzeugten Kraft angetrieben,
wobei ein Turbinenrad der abgasbetriebenen Turbine auf einer gemeinsamen
Welle mit einem Verdichterlaufrad des Einlassluftverdichters montiert
ist.
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Die
herkömmliche
Verdichtervorrichtung ist mit einem Gehäuse ausgestattet, das einen
Abgaseinlass hat, um der Abgasturbine das Abgas zuzuführen.
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Die
Bereitstellung einer Düse
in einem Durchgang, um ein Fluid, beispielsweise Druckluft, hin
zum Einlass des Motors zu drängen,
ist auf diesem Fachgebiet bekannt, wobei die Flügel in der Düse drehbar
montiert sind, um eine variable Geometrie bereitzustellen.
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In
der
US-Patentschrift 2002/0176774 ist
ein Verdichter mit variabler Geometrie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 beschrieben.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Düse mit variabler
Strömung
stromabwärts
hinter dem Radialverdichterrad in einem Verdichter zur Verfügung zu
stellen, um einen Verdichter mit einer verbesserten Konfiguration
und einem verstärkten
Wirkungsgrad bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird ein Verdichter mit variabler Geometrie bereitgestellt, der
beispielsweise in einem Turbolader eingesetzt werden kann. Ein Schwenkflügelzerstäuber ist
stromabwärts
hinter dem Radialverdichterrad vorgesehen. Durch Verwendung optimaler
Flügelprofile
und durch kontrolliertes Schwenken der Zerstäuberflügel in unterschiedlichen Winkeln
kann die Zerstäuberquerschnittsströmungsfläche mit
variablen Werten reguliert werden, um sie an unterschiedliche Luftmassenströmungsmengen
anzupassen, und der Strömungseinfall
an den Zerstäuberflügelvorderkanten
wird minimiert. Ein Düsenring
ist einstellbar im Verdichtergehäuse
montiert und definiert die Düsenfläche für den Verdichterzerstäuber. Im Zerstäuber kommen
keine Abstandshalter zum Einsatz, wodurch der Wirkungsgrad verbessert
wird, und indem lediglich die Flügel
und der Düsenring
aufgeschichtet vorgesehen sind, werden die Zerstäuberabstände innerhalb strikter Toleranzen
eingehalten. Weiterhin befinden sich Dichtungen, beispielsweise O-Ringe,
zwischen dem Düsenring
und dem Verdichtergehäuse
und der Rückplatte,
um schädliche
Gasleckagen zwischen dem Zerstäuber
und den Räumen
hinter dem Düsenring
auszuschalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in die Patentbeschreibung integriert
und Bestandteile dieser Beschreibung sind, zeigen mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung,
dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Die Zeichnungen, die
lediglich dem Zweck dienen, eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darzustellen,
haben keinen einschränkenden
Charakter hinsichtlich der Erfindung; dabei sind:
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1 eine
Seitenansicht einer Turbinenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei ein Abschnitt weggeschnitten wurde, um das Turbinenrad und
die Welle im Sinne der Erfindung freizulegen;
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2 eine
Ansicht eines Abschnitts der in 1 dargestellten
Turbinenvorrichtung, wobei die Turbinenseite nicht dargestellt wurde,
um eine „transparente" axiale Ansicht der
erfindungsgemäßen Verdichterseite
zu zeigen, in der die Anordnung der Zerstäuberflügel gemäß der Erfindung sowie der Gleichlaufring
und die Flügelarme
zum kontrollierten Schwenken der Zerstäuberflügel dargestellt sind;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
eines Abschnitts der in 1 und 2 dargestellten
erfindungsgemäßen Vorrichtung
entlang der Schnittlinie A-A in 2;
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4 eine
andere vergrößerte Schnittansicht
eines anderen Abschnitts der in 1 und 2 dargestellten
Vorrichtung entlang der Schnittlinie B-B in 2;
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5 eine
axiale Ansicht eines Abschnitts der in 2 dargestellten
Vorrichtung in vergrößerter Form,
um die Verbindung der Flügelarme
mit dem Gleichlaufring zu verdeutlichen; und
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6 eine
noch andere vergrößerte Schnittansicht
eines noch anderen Abschnitts der in 1 und 2 dargestellten
Vorrichtung entlang der Schnittlinie D-D in 2.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(BESTE REALISIERUNGSARTEN DER ERFINDUNG)
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Es
wird nunmehr Bezug auf die Figuren genommen, die eine bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Zunächst wird
eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, bei der es sich um einen Turbolader handeln kann, allgemein
erläutert.
Wie aus den Figuren ersichtlich, ist die Vorrichtung mit einem Gehäuse ausgestattet,
in dem eine Abgasturbine 35 und ein Einlassluftverdichter 30 untergebracht
sind.
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Der
Einlassluftverdichter 30 beinhaltet ein Einlaßluftverdichterrad
oder -laufrad 4. Das Einlassluftverdichterlaufrad 4 ist
auf einer Welle montiert, die in einem zentralen Gehäuse 2 allgemein
gemäß der Erfindung
drehbar abgestützt
ist.
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Die
Abgasturbine 35 beinhaltet ein Abgasturbinenrad 5,
das auf der gleichen Welle wie das Einlassluftverdichterrad 4 montiert
ist. Das Turbinengehäuse 1 definiert
einen um das Turbinenrad 5 herum vorgesehenen Turbinenströmungsbereich,
wie insgesamt am besten aus 1 ersichtlich.
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Wie
in den 4–6 dargestellt,
wird ein das Verdichterrad 4 umgebender Durchgang durch eine
Innenwand 34 und eine Außenwand 32 gebildet. Am
Ende des Durchgangs ist eine variable Verdichterdüse vorgesehen,
die eine ringförmige
Anordnung von im Zerstäuber
des Verdichters befindlichen Flügeln 9 umfasst.
Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform weist elf Flügel 9 auf,
was allerdings nur der Veranschaulichung dient und keinerlei Einschränkung darstellt;
es kann jede beliebige geeignete Anzahl von Flügeln verwendet werden, um die
Aerodynamik zu optimieren.
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Jeder
Flügel 9 wird
von einer Welle 41 (5) abgestützt, die
eine Drehachse für
den jeweiligen Flügel
bildet. Die Welle 41 ist fest mit dem Flügel 9 verbunden
und erstreckt sich von diesem Flügel aus.
Die Längsrichtung
der Drehachse eines Flügels erstreckt
sich zwischen einer Fläche 53 (z.
B. einer im Wesentlichen planaren Zerstäuberoberfläche) des Gehäuses 3 und
einem ringförmigen
Düsenring 7 (5 und 6).
Somit sind die Flügel 9 um
ihre jeweiligen Drehachsen schwenkbar, wobei die Wellen 41 mit
ihren jeweiligen Flügeln
geschwenkt werden können,
und die Drehachsen verlaufen allgemein parallel zur Drehachse des
Verdichterrads 4.
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Wie
am besten aus 2 ersichtlich, sind die Flügel 9 vorzugsweise
in länglicher
Tränen-
oder Keilform ausgebildet. Aus der Beschreibung eines beliebigen
einzelnen Flügels 9 ergibt
sich auch die Beschreibung für
die anderen Flügel.
Die Spitzen der Flügel 9 sind
stromaufwärts
ausgerichtet, gegen die Gasströmung
in dem zwischen den Wänden 32, 34 definierten
Verdichterdurchgang. Der breitere, abgerundete Stumpf eines jeden
Flügels 9 befindet
sich stromabwärts
in der Nähe
der Stützwelle 41 des
Flügels.
Die Form und Kontur der jeweiligen Flügel sind für diese Erfindung jedoch unkritisch,
und es versteht sich, dass die Flügel auch andere geeignete Formen aufweisen
können.
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Jeder
Flügel 9 ist
durch die Welle 41 mit einem Flügelarm 8 verbunden
(2, 3, 5). Aus
der Beschreibung eines beliebigen Arms 8 ergibt sich auch
die Beschreibung für
alle anderen Arme. Die Welle 41 ist, beispielsweise durch
Verschweißen, fest
mit dem Flügelarm 8 verbunden,
so dass sich ein Flügel 9,
seine Welle 41 und der zugeordnete Flügelarm 8 zusammen
als eine Einheit drehen. Wie am besten aus 3 ersichtlich,
hat jeder Flügelarm 8 ein
vergrößertes inneres
Ende 26, das eine Öse
für die
Aufnahme der Welle 41 definiert, wodurch der Arm 8 mit
einem mittleren Abschnitt des Flügels 9 (wie
in 5 dargestellt) verbunden ist. Eine Welle verbindet
das innere Ende 26 des Flügelarms 8 mit seinem
runden äußeren Endknopf 27.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich,
befindet sich der äußere Endknopf 27 des
Flügelarms
drehbar innerhalb einer entsprechenden, in der Innenfläche des
ringförmigen Gleichlaufrings 6 definierten
Aufnahme 37. Vorzugsweise ist jede Ringaufnahme 37 allgemein
kreisförmig
ausgeführt,
wobei der Durchmesser geringfügig größer als
der Durchmesser des Armendknopfes 27 ist, so dass sich
der Knopf 27 mit wenig seitlichem Spiel frei in der Aufnahme 37 drehen
kann und die Aufnahme 37 den Knopf 27 umschließt, so dass
der Knopf 27 nicht radial aus der Aufnahme herausgezogen
werden kann.
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Ein
Düsenring 7 ist
im Gehäuse 3 zwischen dem
Gehäuse
und der Rückplatte 51 montiert.
Die Rückplatte 51,
die sich radial heraus aus dem zentralen Gehäuse 2 erstreckt, kann
damit integral ausgebildet oder durch maschinelles Bearbeiten oder
Verschweißen
damit verbunden oder alternativ als ein separates Bauteil ausgeführt sein,
das mit dem zentralen Gehäuse
verschraubt oder anderweitig entfernbar daran befestigt ist. Somit
kann es sich bei der Rückplatte 51 um
ein separates ausbaubares Element handeln. Für jeden Flügel 9 ist eine separate Welle 41 vorgesehen,
so dass eine ringförmige
Anordnung von Wellen entsteht. Die Wellen 41 verlaufen
durch entsprechende Löcher
im Düsenring 7 und sind
in den Löchern
drehbar. Der Düsenring 7 stellt die
innerste Erstreckung des Strömungsdurchgangs bereit
und definiert auch die Fläche
der Düse 52,
in deren Nähe
die Flügel 9 geschwenkt
werden, wie in den 4–6 angegeben.
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Aus
den 4–6,
auf die weiterhin Bezug genommen wird, ist ersichtlich, dass ein
Gleichlaufring 6 drehbar an der Verdichtergehäuserückplatte 51 koaxial
zum Düsenring 7 und
parallel in bündigem
Gleitkontakt damit gehalten wird. Der Gleichlaufring 6 ist
um eine Achse drehbar, die zur Achse der gemeinsamen Welle der Räder 4, 5 ausgerichtet ist.
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Aufgrund
der Drehung des Gleichlaufrings 6, wobei die Flügelarme 8 durch
ihr bewegbares Eingreifen in die Aufnahmen 37 schwenkbar
daran befestigt sind, ist es möglich,
die Drehposition der Flügel 9 einstellen.
Die Aufnahmen 37 stellen Hohlräume dar, erfordern aber keine
besondere Querschnittsform; kreisförmige Aufnahmen nehmen in geeigneter
Weise einen Knopf 27 auf. Durch Einstellen der Drehposition
der Flügel 9 kann
die Fluiddurchgangsfläche
im Zerstäuberraum
der Verdichterdüse reguliert
werden. Das heißt,
die Durchgangsfläche wird
verkleinert, indem die Flügel 9 in
einer Richtung zum Ausrichten der Flügel mit der Tangentialrichtung im
Verhältnis
zum Verdichterlaufrad oder -rad 4 bewegt werden, während die
Durchgangsfläche
vergrößert wird,
indem die Flügel 9 in
einer Richtung zum Ausrichten der Flügel mit der Radialrichtung
des Verdichterrads 4 bewegt werden. Durch eine Bewegung der
Flügel 9 kann
die Geschwindigkeitskomponente der Strömung zwischen den Flügeln in
der Radial- und der Tangentialrichtung eingestellt werden, um das
Leistungsverhalten zu optimieren.
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Der
Gleichlaufring 6 lässt
sich durch einen Kurbelmechanismus 40 betätigen, der
betriebswirksam mit dem Gleichlaufring verbunden ist. Die fundamentaleren
Elemente der Erfindung können
mit beliebigen Kurbelmechanismen, wie sie auf diesem Fachgebiet
bekannt sind, realisiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform
beinhaltet den innovativen Kurbelmechanismus, der am besten aus
den 1–3 ersichtlich
ist. Der erfindungsgemäße Kurbelmechanismus
beinhaltet den Kurbelbetätiger 22,
der, wie aus 1 ersichtlich, mittels einer
Rückhalteringverbindung 23 mit
einem Kurbelarm 21 verbunden ist. Wie aus den 1 und 4 ersichtlich, ist
im Kurbelmechanismus 40 der Kurbelarm 21 mittels
eines externen Kurbelzapfens 16 schwenkbar mit einer Kurbelverbindung 15 verbunden.
Ein interner Kurbelzapfen 17 verbindet die Kurbelverbindung 15 mit
einem internen Arm 18. Der Kurbelmechanismus beinhaltet
weiterhin einen internen Kurbelzapfen 17, der, beispielsweise
durch eine Hülse 19,
drehbar in einer Montageöffnung
in der Verdichtergehäuserückplatte 51,
wie aus 4 ersichtlich, montiert ist. Der
interne Arm 18 treibt wiederum die Bewegung des Gleichlaufrings 6 an.
Auch hier ist aber der eingesetzte Kurbelmechanismus oder das eingesetzte Kurbelmittel
für die
Erfindung unkritisch.
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Der
Zerstäuberabstand
wird gemäß der Erfindung
ohne die Verwendung von Abstandshaltern verbessert, die gewöhnlich in
auf diesem Fachgebiet bekannten Verdichtern mit variabler Geometrie
zum Einsatz kommen. Hier wird gemeinsam Bezug auf die 4–6 genommen.
Wie vorstehend erläutert und
auf diesem Fachgebiet bekannt, dreht sich das Verdichterrad 4 im
Gehäuseeinströmungsbereich 31 innerhalb
des Verdichtergehäuses 3.
Das Gas wird beschleunigt, während
es den zwischen der Außenwand
und der Innenwand 34, 32 definierten Durchgang
durchströmt,
wobei die Wände 32, 34 in
der Richtung der Flügel 9 zusammenlaufen.
Die Flügel 9 befinden
sich im Zerstäuberraum
zwischen dem Düsenring 7 und
dem Gehäuse 3 stromabwärts hinter dem
Verdichterrad 4 an den inneren Endpunkten der zusammenlaufenden
Wände 32, 34.
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Wie
am besten aus den 5 und 6 ersichtlich,
befinden sich die Flügel 9 in
dem zwischen dem ringförmigen
Düsenring 7 und
einer ringförmigen
Zerstäuberoberfläche 53 des
Gehäuses 3 definierten
Zerstäuber.
Die Notwendigkeit, Abstandshalter am Zerstäuber bereitzustellen, entfällt. Der
Düsenring 7 ist
in einem im Düsenabschnitt
des Gehäuses
definierten ringförmigen
Ring auf der der Zerstäuberoberfläche 53 gegenüberliegenden
Seite der Flügel 9 vorgesehen.
Die Zerstäuberoberfläche 53 ist vorzugsweise
im Wesentlichen planar. Für
den Fachmann auf diesem Gebiet versteht es sich jedoch, dass die
Zerstäuberoberfläche 53 in
ihrer Gesamterstreckung nicht durch eine einzelne Ebene definiert sein
muss. Stattdessen kann die Oberfläche modifiziert werden, um
den Zerstäuber
an bestimmte Bedingungen anzupassen. Beispielsweise kann die Oberfläche 53 eine
leichte Abtreppung oder Anfasung aufweisen, an der die Vorderkanten
der Flügel 9 (stromabwärts hinter
dem Rad 4 und allgemein stromaufwärts vor den Flügeln) geschwenkt
werden können.
Eine solche geringfügig
modifizierte Oberfläche 53 kann
beispielsweise erwünscht
sein, um die Haltbarkeit in Umgebungen zu verbessern, in denen sich
aufgrund schädlicher
Ablagerungen möglicherweise
Probleme ergeben können.
Oder es kann eine geringfügig
abgetreppte oder maschinell konisch ausgeführte Oberfläche 53 dazu dienen,
den Nennabstand der Flügelenden
noch weiter zu reduzieren, wenn die Flügel geschlossen oder bis zu
etwa 1/3 offen sind, ein geringer Abstand von entscheidender Bedeutung
ist und dennoch mehr Abstand zwischen zu 1/3 offenen und vollständig offenen
Flügeln
bereitgestellt werden soll.
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Der
Düsenring 7 und
die Zerstäuberoberfläche 53 sind
im Wesentlichen parallel und durch das aus den 5 und 6 ersichtliche
Abstandsmaß voneinander
getrennt. Die äußere Oberfläche oder Seite
des Düsenrings 7 definiert
die Düsenfläche 52 in
der Nähe
der Flügel 9.
Die Düsenfläche 52 und
die Gehäusezerstäuberoberfläche 53 sind
allgemein einheitlich durch eine Zerstäuberabstandsdistanz d, wie aus
den 5 und 6 ersichtlich, voneinander getrennt.
Die Zerstäuberabstandsdistanz
d ist sehr geringfügig
größer als
die axiale Höhe
oder Höhe
der Flügel 9.
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Es
versteht sich somit, dass im erfindungsgemäßen Verdichter mit variabler
Geometrie das Verdichtergehäuse 3 die
darin ausgebildete ringförmige, vorzugsweise
im Wesentlichen planare Oberfläche 53 aufweist,
während
der Düsenring 7 am
Gehäuse
sitzt. Der Düsenring 7 definiert
die ringförmige Düsenfläche 52 in
beabstandetem Verhältnis
zur Fläche
oder Oberfläche 53,
wenn der Zerstäuberraum zwischen
der Düsenfläche und
der Zerstäuberoberfläche definiert
ist. In dieser Anordnung sind im Zerstäuberraum der eine oder mehrere
schwenkbare Zerstäuberflügel 9 so
nahe an der Düsenfläche 52 vorgesehen,
dass sie gleitend dagegen geschwenkt werden können. Wie aus den Figuren ersichtlich,
sind die Düsenfläche 52 und
die Zerstäuberoberfläche 53 im
Wesentlichen parallel und durch die Zerstäuberabstandsdistanz voneinander
beabstandet. Die Zerstäuberabstandsdistanz
d ist durch Modifizieren der Position des Düsenrings im Verhältnis zur
Zerstäuberoberfläche einstellbar.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die in den
Figuren dargestellte Bauteileorientierung beschränkt ist. Die Vorrichtung kann
in einer alternativen Ausführungsform
in einer umgekehrten oder „spiegelbildlichen" Konfiguration ausgeführt werden.
Somit kann eine alternative Ausführungsform
der beanspruchten Erfindung das Merkmal eines „umgedrehten" Aufbaus aufweisen,
der im Verhältnis
zu einer radial durch den Zerstäuber
verlaufenden Ebene gegenüber
der in den Figuren dargestellten Version halbsymmetrisch ausgeführt ist.
In einer solchen umgekehrten Ausführungsform kann beispielsweise
der Düsenring
dort platziert sein, wo in den vorliegenden Figuren die Zerstäuberfläche vorgesehen
ist, wobei der Gleichlaufring, die Flügelarme usw. rund um den Verdichtereinlass
platziert sind und die gegenüberliegende
Fläche
in der Rückplatte
des zentralen Gehäuses
durch maschinelles Bearbeiten einfach flach ausgeführt ist.
Es besteht somit die Absicht, mit den beiliegenden Ansprüchen beliebige
alternative Ausführungsformen
der Erfindung, beispielsweise eine derartige „gekippte" oder umgekehrte Konstruktion, abzu decken,
wobei die alternative Ausführungsform
in einer radialen Ebene dargestellt ist.
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Ein
Fortschritt, den die Erfindung bietet, besteht in der Minimierung
des Zerstäuberabstands ohne
Abstandshalter. Abstandshalter, wie sie üblicherweise auf diesem Fachgebiet
verwendet werden, befinden sich gewöhnlich innerhalb des Zerstäuberbereichs
des Verdichters, bewirken somit Aerodynamikverluste und können Kontrollbarkeitsprobleme
bewirken. Im Gegensatz dazu werden in der vorliegenden Erfindung
die Flügel 9 gegen
die Düsenfläche 52 am
Düsenring 7 geschwenkt
(wobei der Düsenring
entfernbar am Verdichtergehäuse
sitzt). Vorteilhafterweise wird der Zerstäuberabstand (d. h. die Differenz
zwischen der Höhe
eines Flügels 9 und der
Zerstäuberabstandsdistanz
d) durch ein einzelnes, d. h. lediglich ein Verdichtermaß, nämlich die Abstandsdistanz
d, kontrolliert und bestimmt. Durch äußerst genaues maschinelles
Bearbeiten der Flügel 9 kann
die Flügelhöhe festgelegt
werden, während die
axiale Position des Düsenrings 7 (und
somit die Düsenfläche 52)
durch ihre kontrollierte und fest gesicherte Anordnung im Gehäuse 3,
gehalten durch die Rückplatte 51,
bestimmt wird. In einer Ausführungsform
der Erfindung beläuft
sich beispielsweise das Zerstäuberabstandsmaß d auf
2,875 ± 0,30
mm, während
die Flügelhöhe 2,800 ± 0,012
mm beträgt. Folglich
drehen sich die Flügel 9 wirksam
gegen die Düsenfläche 52.
Durch die sorgfältige
Bearbeitung und Platzierung des Düsenrings 7 im Verhältnis zur Zerstäuberfläche 53 lässt sich
das Zerstäuberabstandsmaß d fein
anpassen, um allgemein verbesserte Zerstäuberabstände ohne jegliche Verwendung problematischer
Abstandshalter zu erzielen, so dass die Verdichterleistung bei möglicherweise
reduzierten Kosten verbessert werden kann. Als eine Folge davon
ist das Zerstäuberabstandsmaß d das
einzige Maß,
das um die Flügelhöhe „aufgeschichtet" werden muss.
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Somit
haben die Flügel 9 ein
einheitliches Höhenmaß, und die
arithmetische Differenz zwischen dem Flügelhöhenmaß und der Zerstäuberabstandsdistanz
d wird als das Flügelendmaß angenommen,
wobei das Letztgenannte allein aus dem Flügelhöhenmaß und der Zerstäuberabstandsdistanz
bestimmt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
es daher, einen extrem feinen Abstand zwischen Flügel und
Verdichtergehäuse,
d. h. den Zerstäuberabstand,
mit engen Toleranzen einzustellen. Abstandshalter werden nicht benötigt, da
lediglich zwei Abmessungen (Flügelhöhe und Zerstäuberabstand) die
einzigen Werte sind, die „aufgeschichtet" werden müssen. Dies
ermöglicht
kleinere axiale Abstände
an den Flügeln,
um den Wirkungsgrad zu verstärken. Die
Nichtverwendung von Abstandshaltern in anderen bekannten Verdichterkonstruktionen
erfordert eine zusätzliche
maschinelle Bearbeitung der Gehäusedüse (mit
den damit verbundenen höheren Kosten),
wodurch das „Aufschichten" von Bauteilen negativ
beeinflusst wird und sich als Folgen davon ein erhöhter Zerstäuberabstand
und ein geringerer Wirkungsgrad ergeben.
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Der
Betätigungsmechanismus,
einschließlich
des Kurbelbetätigers 22 und
des Kurbelmechanismus 40, kann mit einem Betätigungsmittel
ausgestattet sein, um die Position der Flügel 9 im Durchgang
und damit die Durchgangsfläche
einstellen zu können.
Die Betätigung
kann beispielsweise auf der Basis von Drücken erfolgen, die am Einlass
und am Auslass des Verdichters gemessen und überwacht werden. Die Betätigung kann
weiterhin das Verarbeiten anderer Signale aus dem Motorsystem in
auf diesem Fachgebiet bekannter Weise beinhalten.
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Das
antreibende Eingreifen des internen Arms 18 in den Gleichlaufring 6 ist
in den 2 und 3 dargestellt. Wie insbesondere
aus 3 ersichtlich, greift der interne Arm 18 in
einer Weise in den Gleichlaufring 6 ein, die im Wesentlichen
dem Eingreifen der Flügelarme 8 in
den Gleichlaufring 6 ähnelt,
d. h. mittels einer aus Schwenkknopf und Aufnahme bestehenden Verbindung.
Die Drehung des internen Arms 18 um die durch den internen
Kurbelzapfen 17 definierte Achse bewirkt, dass sich der Knopf
am distalen Ende des internen Arms innerhalb einer entsprechenden
Aufnahme 43 im Gleichlaufring 6 dreht. Aufgrund
des Eingreifens des internen Arms 18 in den Gleichlaufring 6 bewirkt
die Schwenkbewegung des internen Arms 18 eine Drehbewegung des
Gleichlaufrings um seine Achse. Der Bogen der Schwenkbewegung des
internen Arms wird durch das Vorhandensein eines feststehenden elastischen Zapfens 10 begrenzt.
Die Drehung des Gleichlaufrings 6 wird somit durch den
Kontakt des internen Arms 18 mit dem elastischen Zapfen 10 begrenzt.
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Gemäß der Erfindung
wird daher der Kurbelbetätiger 22 in
Reaktion auf Signale von Druckwächtern
im Verdichtereinlass und -auslass betätigt. Der Kurbelbetätiger dreht
sich in Reaktion auf die Betätigersignale,
wodurch die Bewegung über
die vom Rückhaltering 23 aufrechterhaltene
Verbindung auf den Kurbelarm 21 übertragen wird. Die Verschiebebewegung
des Kurbelarms 21 beinhaltet eine Schwenkbewegung in der
Kurbelverbindung 15 (wobei die Kurbelverbindung 15 durch
den externen Kurbelzapfen 16 schwenkbar mit dem Kurbelarm 21 verbunden
ist), wodurch wiederum eine Drehbewegung des internen Kurbelzapfens 17 bewirkt
wird. Da der interne Kurbelzapfen 17 fest am internen Arm 18 befestigt
ist, so dass sich der interne Arm 18 zusammen mit dem internen
Kurbelzapfen dreht, bewirkt die Drehung des internen Kurbelzapfens,
dass der interne Arm 18 (um eine vom internen Kurbelzapfen 17 definierte
Achse) geschwenkt wird. Die Schwenkbewegung des internen Arms 18,
dessen distales Ende durch einen definierten Bogen schwingt, bewirkt, dass
sich der Gleichlaufring 6, aufgrund des Eingreifens des
distalen Knopfes des internen Arms in eine Aufnahme 43 im
Gleichlaufring (3), um seine Achse dreht, wie
vorstehend beschrieben. Wie aus den 2 und 3,
insbesondere aus 2, ersichtlich, bewirkt die
Drehung des Gleichlaufrings 6, als eine Folge der Anordnung
einheitlicher Knopf- und Aufnahmeverbindungen der Flügelarme 8 mit dem
Gleichlaufring 6 (3), ein
gleichzeitig und über
den gleichen Winkel erfolgendes Schwenken aller Flügelarme 8.
Da der Gleichlaufring 6 im Wesentlichen starr ist, erfolgt
das Schwenken aller Flügelarme 8 einheitlich
in direktem Verhältnis
zum Schwenken des internen Arms 18.
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Turbolader
zur Verwendung in Fahrzeugen unterliegen Belastungszuständen, die
abhängig
vom Betriebszustand des Motors differieren. Im Zustand einer niedrigen
Drehzahl des Motors ist die Einlassluftmenge gering. Weiterhin hängt der
Druckbedarf am Einlass des Motors von der erforderlichen Ausgangsleistung
des Motors ab. Unter solchen Umständen werden die Flügel 9 auf
eine Position eingestellt, in der die Durchgangsfläche (d.
h. die Querschnittsströmungsfläche der
Verdichterdüse)
verringert wird.
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Im
Zustand einer hohen Drehzahl des Motors nimmt umgekehrt auch die
Massenströmung
der Einlassluft zu. In dieser Situation werden die Flügel 9 auf eine
Position eingestellt, in der die Durchgangsfläche der Verdichterdüse vergrößert wird.
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Indem
die Positionen der Arme 9 angesichts des Motorbelastungszustands
und der Motordrehzahl ständig
eingestellt werden, kann ein unerwünschtes Verdichterpumpen verhindert
(oder zumindest verzögert)
werden. Ein zusätzlicher
Vorteil besteht darin, dass auch die Verdichterdrosselströmung erhöht wird.
Anders ausgedrückt:
Die Flügeleinheit
(einschließlich
der vom drehbaren Gleichlaufring 6 angetriebenen mehreren
Flügel 9)
wird geschlossen, indem der Gleichlaufring 6 gedreht wird, um
gleichzeitig alle Flügel 9 zu
schwenken, so dass eine Neigung im Verhältnis zur Tangentialrichtung der
ringförmigen
Anordnung bewirkt wird, und wird geöffnet, indem die Flügel 9 hin
zur entgegengesetzten Richtung gedreht werden. In einem Bereich
des Motors mit geringer Belastung und niedriger Drehzahl wird die
Flügeleinheit
geschlossen. In einem Bereich des Motors mit hoher Belastung und
hoher Drehzahl wird die Flügeleinheit
hin zur geöffneten Richtung
gedreht. Folglich wird der Betriebsbereich des Verdichters vergrößert.
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Insgesamt
lässt sich
daher die Strömungsdurchgangsfläche im Zerstäuber durch
Einstellen der Schwenkposition von mindestens einem, vorzugsweise
jedoch allen Zerstäuberflügeln 9 sowie
vorzugsweise durch Schwenken aller Flügel in einem einheitlichen
Maß oder
Grad einstellen. Die mehreren Flügel 9 sind
in einer kreisförmigen
Anordnung um eine imaginäre
zentrale Achse herum vorgesehen, wobei der ringförmige Gleichlaufring 6 um
dieselbe imaginäre
Anordnungsachse drehbar ist. Jeder Flügelarm 8 der mehreren
Flügelarme
ist schwenkbar mit einem entsprechenden Zerstäuberflügel 9 verbunden und
ebenfalls schwenkbar mit dem Gleichlaufring 6 verbunden;
dementsprechend bewirkt der Kurbelmechanismus 20 eine kontrollierte Drehung
des Gleichlaufrings 6, so dass durch die kontrollierte
Drehung des Gleichlaufrings gleichzeitig die Flügel im Zerstäuberraum
geschwenkt werden. Der Kurbelmechanismus beinhaltet den drehbaren internen
Arm 18, der schwenkbar mit dem Gleichlaufring 6 verbunden
ist, so dass durch die Drehung des internen Arms eine Drehbewegung
im Gleichlaufring bewirkt wird.
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Der
Betrieb des Verdichterrads 4 erzeugt natürlich Druckdifferenzen über den
Gasströmungsweg vom
Einströmungsbereich 31 bis
zum Zerstäuberausgang
am Ausströmungsbereich 47.
Unerwünschte
Gasleckagen können
zwischen den Flügelsaug- und
-druckseiten, und vom Zerstäuberraum
entlang den Flügelarmen 8 bis
hinter den Düsenring 7 sowie auch
und ganz wesentlich entlang und hinter dem Düsenring 7 vom Zerstäuberausgang
im Ausströmungsbereich 47 zurück zum Zerstäubereinlass
(im Einströmungsbereich 31)
stromaufwärts
vor den Flügeln 9 auftreten.
Solche störenden
Verluste am Zerstäubereinlass
wirken sich schädlich
auf das Leistungsverhalten aus, da sie den Lufteinfall an den mit variabler
Geometrie ausgestalteten Flügeln 9 modifizieren.
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Nunmehr
wird Bezug auf die 4–6 genommen.
Eine wesentliche Verbesserung der Erfindung stellt die Bereitstellung
eines Abdichtungsmittels, beispielsweise der elastischen O-Ringe 12, 13,
dar, die zwischen dem zentralen Gehäuse 2 und dem Düsenring 7 bzw.
zwischen der Verdichtergehäuserückplatte 51 und
dem ringförmigen
Düsenring 7 vorgesehen
werden. Das Abdichtungsmittel ist somit eine Dichtung in Form eines
integralen Rings (beispielsweise eines O-Ring) oder eine aus trennbaren
angrenzenden Teilen bestehende Dichtung. Die O-Ringe dienen dazu,
eine Abdichtung gegenüber der
Gasströmung
durch die sehr engen Spalte zwischen dem zentralen Gehäuse 2 und
dem Düsenring 7 sowie
zwischen der Verdichtergehäuserückplatte 51 und
dem ringförmigen
Düsenring 7 zu
bewirken. Diese O-Ringe können
aus beliebigen geeigneten, dauerhaft elastischen Materialien hergestellt
sein, zu denen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Neoflon®-
oder Viton®-Polymere
zählen.
O-Ringe dienen dazu, zwei potenziell schädliche Leckagen innerhalb oder
aus der Verdichtervorrichtung zu unterbinden. Es versteht sich ausdrücklich,
dass, neben O-Ringen, auch andere Dichtungen im Rahmen der Erfindung
eingesetzt werden können,
um die schädlichen Leckagen
zu verhindern, und dass O-Ringe lediglich die derzeit bevorzugte
Ausführung
zur Realisierung der Erfindung darstellen.
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Insbesondere
die 4 und 6 enthalten nützliche
Hinweise. Zunächst
einmal neigen die durch den Betrieb des Verdichters erzeugten Druckgefälle dazu,
eine Gasströmung
in der Form einer Leckage zwischen dem Düsenring 7 und der
Verdichtergehäuserückplatte 51 herbeizuführen. Genauer
gesagt: Die während
des Verdichterlaufradbetriebs bewirkten Druckdifferenzen neigen
dazu, eine Leckagenströmung
von den die internen Arme 18 umgebenden Zwischenräumen zwischen
dem inneren Ende 49 des Düsenrings 7 hinein
in den Einströmungsbereich 31 zwischen
der Außen-
und Innenwand 32, 34 des Gehäuses 3 hervorzurufen.
Druckdifferenzen können
gleichermaßen
eine Gasleckage vom Ausströmungsbereich 47 (stromabwärts hinter den
Flügeln 9)
zwischen dem äußeren Ende 50 des Düsenrings 7 hinein
in die den internen Arm 18 und den Gleichlaufring 6 umgebenden
Räume bewirken. Diese
beiden Leckagen können
den Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung wesentlich und nachteilig beeinflussen.
Sind keine abdichtenden O-Ringe 12, 13 vorgesehen,
kann Gas auch aus den Räumen zwischen
dem Düsenring 7 und
dem internen Arm 18, vorbei am internen Kurbelzapfen 17 (z.
B. zwischen dem Zapfen 17 und der Hülse 19), aus der Vorrichtung
und damit in die Umgebungsluft austreten. Diese Art von Leckage
kann zum Austreten von öligen
Dämpfen
und anderen unerwünschten
Gasen in die Umgebungsluft führen.
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Die
vorstehenden Leckagen können
insgesamt durch die O-Ringe 12, 13 abgeschwächt oder verhindert
werden. Der innere O-Ring 12 verhindert eine Leckage zwischen
dem inneren Ende 49 des Düsenrings 7 und dem
zentralen Gehäuse 2.
Der äußere Ring 13 verhindert
eine Leckage zwischen dem äußeren Ende 50 des
Düsenrings 7 und
der Rückplatte 51.
Geeignete Nuten oder Vorsprünge
können mittels
maschineller Bearbeitung im Düsenring 7,
im Gehäuse 3 und/oder
in der Rückplatte 51 vorgesehen
werden, um die O-Ringe 12, 13 aufzunehmen und
zu halten.
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Die
Rückplatte 51 trägt somit
dazu bei, den Düsenring 7 gegenüber dem
Gehäuse 3 zu
halten, während
ein Abdichtungsmittel vorgesehen ist, um eine Gasleckage aus der
Nähe des
Zerstäuberraums vorbei
am Düsenring 7 zu
verhindern. Bei dem Abdichtungsmittel kann es sich um einen oder
mehrere elastische innere O-Ringe 12, die sich zwischen
dem zentralen Gehäuse
und dem inneren Ende des Düsenrings
befinden, und/oder um einen oder mehrere elastische äußere O-Ringe 13 handeln,
die sich zwischen der Verdichtergehäuserückplatte 51 und dem äußeren Ende
des Düsenrings
befinden.
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Obwohl
die Erfindung unter Bezugnahme auf diese bevorzugten Ausführungsformen
detailliert beschrieben wurde, können
mit anderen Ausführungsformen
die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Für den Fachmann auf diesem Gebiet
versteht es sich, dass Variationen und Modifizierungen der vorliegenden
Erfindung möglich
sind und dass die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Modifizierungen
und Äquivalente
abdecken sollen.