DE60302542T2

DE60302542T2 - Dralldrossel für Radialverdichter

Info

Publication number: DE60302542T2
Application number: DE60302542T
Authority: DE
Inventors: Volker Simon; Mathias Weber; Christian Holzschuch
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2006-08-10
Also published as: DE60302542T8; EP1452742B1; EP1452742A1; DE60302542D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Vordralls gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Turbolader haben in Verbrennungsmotoren eine breite Anwendung und sind in der Vergangenheit insbesondere mit grossen Dieselmotoren verwendet worden, speziell für Strassentransport- und Schifffahrtsanwendungen. Im Unterschied zu Ladern, die ihre Kraft direkt von der Kurbelwelle des Motors ableiten, werden Turbolader durch die Motorenabgase angetrieben. Die Abgase werden auf eine Turbine gelenkt und treiben diese an, während die Turbinenwelle mit dem Verdichter verbunden ist und diesen antreibt. Umgebungsluft wird durch den Verdichter komprimiert und in die Ansaugleitung des Motors eingespeist.
In jüngerer Zeit haben die Turbolader zusätzlich zu ihrer Verwendung in Verbindung mit grossen Dieselmotoren Beliebtheit für eine Verwendung in Verbindung mit kleineren Antriebsaggregaten von Personenkraftwagen erlangt. Durch Verwendung eines Turboladers in Pkw-Anwendungen wird die Auswahl eines Antriebsaggregats möglich, das die gleiche PS-Zahl mit einem kleineren Motor geringerer Masse entwickelt. Die Verwendung eines Motors geringerer Masse hat die erwünschte Wirkung, das Gesamtgewicht des Wagens zu verringern, die Sportlichkeit zu verbessern und die Benzineinsparungen zu erhöhen. Ausserdem erlaubt die Verwendung eines Turboladers eine vollständigere Verbrennung des dem Motor zugeführten Treibstoffs, wodurch sich die Kohlenwasserstoffemissionen des Motors verringern, was zu dem sehr wünschenswerten Ziel einer saubereren Umwelt beiträgt.
Turbolader mit einer festgelegten Geometrie werden normalerweise so ausgelegt, dass sie bei einer bestimmten Motorendrehzahl und -last mit dem besten Wirkungsgrad arbeiten. Kleinere Pkw-Motoren werden normalerweise über einen breiten Bereich von Motorendrehzahlen und -lasten betrieben. Wenn ein Turbolader über einen breiten Bereich von Motorendrehzahlen und -lasten betrieben wird, funktionieren seine Komponenten ausserhalb des optimalen Auslegungsbereichs und erleiden folglich einen Verlust an Wirkungsgrad, der die Motorenleistung negativ beeinflusst. Beim Betrieb eines Turboladers mit Radialverdichter ist bekannt, dass ein Vordrall der Luftzufuhr zum Verdichter günstige Auswirkungen haben kann, indem sowohl der effiziente Arbeitsbereich des Verdichters verbreitert als auch sein Wirkungsgrad erhöht wird. Sowohl positiver als auch negativer Vordrall kann verwendet werden, um diese erwünschten Wirkungen zu erzielen.
Ein früher Versuch, den Strom der in einen Verdichter eintretenden Luft zu drosseln, wird in dem Bartholomew erteilten US-Patent Nr. 3 723 021 aufgezeigt. Dieses Patent zeigt eine Strömungsdrosselanordnung für die Ansaugöffnung eines primären Axialverdichters, wie sie in Verbindung mit einem Axial-Gasturbinenmotor verwendet werden. Eine biegsame Schaufel wird mit ihrer Vorderkante befestigt und seitlich entlang des Umfangs eines zylindrischen Ansaugkanals abgelenkt. Die radial aussen gelegene Ecke der Hinterkante der Schaufel wird an einer rotierenden Scheibe befestigt, die ihrerseits in einen zylindrischen Ring in der Aussenwand des Kanals hineingesteckt ist. Die rotierende Scheibe verdreht die Schaufel, und der Stift dreht sich innerhalb des Rings, während der Ring sich peripher bewegt. Die rotierende Scheibe dreht sich, um die verringerte axiale Länge der Schaufel in ihrer ausgelenkten Position aufzufangen. Die radial aussen gelegene Kante der Schaufel wird beschnitten, um eine Störung durch die Wandung des zylindrischen Kanals zu verhindern, wenn die Schaufel ausgelenkt ist. Diese komplizierte Anordnung ermöglicht eine begrenzte Auslenkung der Hinterkante der Schaufel, neigt zum Blockieren und arbeitet mit übermässiger Reibung, während die versetzte Anbringung der Schaufel am rotierenden Stift eine Auslenkung der Schaufel in nur einer Richtung erlaubt. Dieses System ist sehr kompliziert, hat viele bewegte Teile und eine sehr begrenzte Nützlichkeit. Es scheint eine komplizierte, teure Struktur zu sein, die zur Verwendung mit grossen, teuren Turbinenmotoren bestimmt ist, in denen ein Vordrall sowohl in der positiven als auch in der negativen Richtung nicht in Betracht gezogen wird.
Die Vorteile, die entstehen, wenn der Luftzufuhr zu einem Radialverdichter ein Vordrall sowohl in der positiven als auch in der negativen Richtung erteilt wird, sind ausführlicher in einer Arbeit von Wallace, Whitfield und Atkey mit dem Titel „Experimental and theoretical performance of a radial flow turbocharger compressor with inlet prewhirl" [Experimentelle und theoretische Leistung eines Radialturboladerverdichters mit Einlass-Vordrall] erörtert worden, die in den Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Band 189 43175 (März 1975) veröffentlicht wurde. In dieser Arbeit legten Wallace und Mitautoren nahe, dass ein positiver Vordrall, d.h. die Erzeugung eines Vor dralls in der Ansaugluft, der eine tangentiale Komponente der Geschwindigkeit in der gleichen Richtung wie die Laufraddrehung besitzt, den Arbeitsbereich eines Turboladers verbreitern kann, indem die Druckanstiegslinie in der Verdichterkarte zu einer niedrigeren Masseströmungsgeschwindigkeit verschoben wird. Die Druckanstiegslinie in einer Verdichterkarte definiert die geringste Strömungsgeschwindigkeit, bei der ein Verdichter in einem stabilen Zustand betrieben werden kann. Bei Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb der Druckanstiegslinie vibriert der Verdichter heftig und arbeitet nicht mehr nutzbringend. Wenn die Druckanstiegslinie eines Verdichters zu niedrigeren Masseströmungsgeschwindigkeiten verschoben wird, kann er bei niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten und Motorendrehzahlen stabil betrieben werden. Dies ermöglicht eine effiziente, stabile Arbeit eines Turboladers zum Beispiel bei „schleppender" Motorendrehzahl. Wallace und Mitautoren schlugen weiter vor, dass bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten ein höherer Verdichterwirkungsgrad durch Auferlegen eines negativen Vordralls erzielt werden kann.
Das Benisek erteilte US-Patent Nr. 3 922 108 offenbart eine Vorrichtung, die einen positiven Vordrall erzeugt, indem feststehende Schaufeln in Nachbarschaft zum Verdichtereinlass angebracht werden. In der Benisek-Vorrichtung wird das zugeführte Luftvolumen, das über diese Schaufeln fliesst, durch Drosseln eines zentralen Durchgangs ohne Schaufeln, aber mit Drosselklappe variiert, wodurch die Stärke des dem Verdichter gelieferten Vordralls variiert wird.
In dem Zloch und Mitautoren erteilten US-Patent Nr. 4 780 055 ist eine Mehrzahl von kreisrunden Segmenten drehbar im Verdichteransaugkanal angeordnet, um die Strömung darin zu beschränken. Die Segmente sind nicht dafür gedacht, Vordrall zu erzeugen. Zloch und Mitautoren sagen nämlich aus, dass der Strömungskanal hinter den Drosselabschnitten enger wird, um einen beschleunigten Jetflow zu erzeugen, der die Wirbelschleppe der kreisförmigen Drosselabschnitte unterdrückt, um eine gleichförmige Einlassströmung zur Läuferscheibe des Verdichters zu liefern.
Weitere Patente, in denen eine Drosselschaufelstruktur zur Abwandlung des Gaszuflusses zu einem Radialverdichter in Kühlaggregaten aufgezeigt wird, sind das US-Patent Nr. 3 667 860 an Endress und Mitautoren sowie das US-Patent Nr. 6 039 534 an Stoner und Mitautoren. Bei Stoner sind zwei Sätze feststehender Schaufeln zu sehen, von denen der erste die Strömung des gasförmigen Kühlmittels etwas ablenkt und der zweite sie stärker ablenkt. Ausserdem zeigt das Sakai und Mitautoren erteilte US-Patent Nr. 5 096 374 einen Drosselmechanismus für einen Turboverdichter, bei dem ein sehr komplizierter äusserer, peripherer Ring mit Betätigungsspindeln verbunden ist, die sich in den Ansaugkanal hinein erstrecken. In keiner dieser Literaturstellen wird erwähnt, ob es beabsichtigt oder möglich ist, einen positiven und/oder negativen Vordrall am Verdichtereinlass zu erzeugen.
Im US-Patent Nr. 5 025 629 wird ein Turbolader mit einer Vordrallanordnung zwischen zwei Verdichterstufen offenbart.
Schliesslich nimmt das Halimi und Mitautoren erteilte US-Patent Nr. 5 560 208 auf die oben zitierte Arbeit von Wallace und Mitautoren Bezug und schlägt vor, dass am Verdichtereinlass Mittel zur Verfügung gestellt werden sollten, um von einem positiven zu einem negativen Vordrall zu wechseln, aber eine Struktur, die dieses gewünschte Ziel erreichen könnte, wird weder offenbart noch vorgeschlagen.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher ist es ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, einfache und wirksame Mittel zur Verfügung zu stellen, um die Leistung eines Turboladers durch selektive Erzeugung entweder eines positiven oder eines negativen Vordralls der Luftzufuhr zu einem Radialverdichter eines Turboladers zu erhöhen, wie es von veränderlichen Motorbetriebsweisen verlangt wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erhöhung der Turboladerleistung zur Verfügung zu stellen, die ein geringes Gewicht hat, leicht zu fertigen und dauerhaft im Betrieb ist.
Gemäss vorliegender Erfindung werden diese und weitere Ziele durch eine Vorrichtung erreicht, wie oben bezeichnet, die durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine minimale Anzahl von Teilen dafür verwendet, eine oder mehrere dünne, verformbare Schaufeln im Ansaugkanal zu positionieren, der zum Einlass eines Radialverdichters führt. In ihrer unausgelenkten Stellung lenken die dünnen Schaufeln die hereinkommende Luft nicht ab und verursachen dadurch wenig oder keine Strömungsbeschränkung. Um die gewünschte positive oder negative Vordrall-Luftströmung zum Verdichter zu erreichen, wird die Vorderkante der Schaufel oder Schaufeln am Gehäuse des Strömungskanals befestigt, während die Hinterkante quer zur Strömungsrichtung im Kanal entweder in der positiven oder in der negativen Richtung ausgelenkt wird. Dies kann durch eine Lasche erreicht werden, die aus der radial aussen gelegenen Ecke der Hinterkante der Schaufel hervorsteht und von einem Schlitz in einem ringförmigen Bügel aufgenommen wird, dessen Innenwand einen Abschnitt des Strömungskanals bildet. Alternativ kann ein Paar von Laschen am Bügel ausgebildet werden, wobei die Hinterkante der Schaufel zwischen die Laschen genommen wird. Bei beiden Anordnungen werden bei einer geringförmigen Drehung des Bügels in der einen oder anderen Richtung die Schaufel oder Schaufeln ausgelenkt, um entweder eine positive oder eine negative Vordrall-Strömung in den Verdichter zu bewirken. Bevorzugterweise wird der Bügel in einem abgestumpft-kugelförmigen Abschnitt des Ansaugkanals positioniert, wo der Durchmesser des Kanals vermindert wurde, um Luft mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit an den Verdichter zu liefern. Auf Grund dieser Geometrie des Ansaugkanals können die Schaufeln eine Gestalt haben, die sich über ihren breiten Bereich der Auslenkung hinweg der Kanalwandung anschmiegt. Mit dieser Anordnung werden die Ziele der Erfindung durch einen Mechanismus mit lediglich vier Grundkomponenten erreicht: einem Vordrallgenerator-Gehäuse, einem drehbaren ringförmigen Bügel, einem Zahnradgetriebe, um die Drehung des Bügels zu steuern, sowie einem zentralen Schaufelträger, der im Ansaugkanal des Verdichters angeordnet ist.
In einer alternativen Form der obigen Ausführungsform sind der Schaufelträger und das Schaufelgehäuse so angeordnet, dass sie teleskopartig zueinander oder voneinander verschoben werden können. Der Schaufelträger kann durch eine Zahnstange, die auf der Aussenhülle des Schaufelträgers ausgebildet ist und mit einem Zahnradgtriebe zusammenwirkt, das auf das Gehäuse des Vordrallgenerators montiert ist, zum Gehäuse hin bzw. vom Gehäuse weg bewegt werden. Alternativ kann der Schaufelträger bezüglich des Gehäuses fixiert sein, während eine Muffe im Gehäuse durch ähnliche Mittel zum Schaufelträger hin oder von ihm weg bewegt werden kann. Mit ersterer Anordnung kann der Vordrallgenerator der vorliegenden Erfindung aus nur drei Grundkomponenten gebildet werden: einem Gehäuse und einem Schaufelträger, der von einem Zahnradgetriebe angetrieben wird.
Die Vorderkanten der Schaufeln sind auf der Aussenhülle des Schaufelträgers befestigt, während die Hinterkanten der Schaufeln in Rillen aufgenommen werden, die im Gehäuse ausgebildet sind. Die Rillen sind mit einem Winkel gegen die Achse des Ansaugkanals ausgebildet und nehmen daher im Gehäuse eine schraubenförmige Gestalt an. Durch eine axiale Bewegung des Schaufelträgers vom Gehäuse weg werden die Schaufeln ausgelenkt, um eine Vordrallströmung in einer ersten Vordrallrichtung zu bilden, zum Beispiel in einer negativen Richtung. Durch eine Bewegung des Schaufelträgers zum Gehäuse hin wird die Auslenkung der Schaufeln in der ersten Vordrallrichtung verringert, bis an einem Zwischenpunkt im vollen teleskopischen Hub die Schaufeln eine neutrale Position annehmen und kein Vordrall erzeugt wird. Indem der Schaufelträger noch weiter auf das Gehäuse zu bewegt wird, werden die Schaufeln in der entgegengesetzten Richtung ausgelenkt, um eine Vordrallströmung in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung, zum Beispiel einer positiven Richtung, zu erzeugen.
Die bevorzugte Variante dieser Ausführungsform der Erfindung ist die, bei der der Schaufelträger zum Gehäuse hin und von ihm weg bewegt wird. Dies deshalb, weil es dadurch möglich ist, den Schaufelträger (und die Schaufeln) am nächsten zum Verdichtereinlass zu platzieren, wenn die grösste Auslenkung der hereinkommenden Luft benötigt wird. Die Geometrie der Rillen im Gehäuse kann nämlich so ausgelegt werden, dass ein verhältnismässig schwacher negativer Vordrall erzeugt wird, wenn der Schaufel träger vom Gehäuse weg bewegt wird, aber ein sehr starker positiver Vordrall, wenn die Schaufeln zum Gehäuse hin bewegt werden. Auf diese Weise wird ein negativer Vordrall mit einer sehr geringen Behinderung des Ansaugdurchlasses unter Betriebsbedingungen mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, wenn nur ein schwacher negativer Vordrall benötigt wird, aber ein sehr starker positiver Vordrall kann mit den Schaufeln nahe beim Verdichtereinlass erzeugt werden, wenn unter Bedingungen einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ein starker Vordrall erwünscht ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung, wo der Ansaugkanal allgemein senkrecht zur Verdichterachse ist, kann ein Paar verformbarer Schaufeln entlang der Innenwand des Ansaugkanals eines Radialverdichters vorgesehen werden. In ihrer nicht ausgelenkten Position erlauben die Schaufeln eine ungestörte Strömung zum Verdichtereinlass. Durch eine mechanische Auslenkung der Hinterkante der ersten Schaufel in den Ansaugströmungskanal kann Vordrallströmung in einer ersten Vordrallrichtung erzeugt werden. Durch Rücknahme der Auslenkung der ersten Schaufel, wodurch sie in ihre unausgelenkte Position zurückkehren kann, und mechanische Auslenkung der Hinterkante einer zweiten Schaufel in den Ansaugströmungskanal kann der in den Verdichter eintretenden Luft eine Vordrallströmung in einer zweiten Vordrallrichtung erteilt werden. Mit dieser Anordnung kann durch wahlweise Betätigung der einen oder anderen der beiden Schaufeln jeder erwünschte Vordrall, positiver oder negativer, erzeugt werden. Unter speziellen Umständen, wenn erwünscht ist, Vordrall nur in einer einzigen Richtung zu erzeugen, kann eine einzelne Schaufel eingesetzt werden.
Turbolader des Typs, denen die Vordrall erzeugende Baugruppe der vorliegenden Erfindung typischerweise beigeordnet wird, werden normalerweise in einem Kfz-Umfeld eingesetzt. In diesem Umfeld besteht ein allgemeines Problem darin, dass Raum unter der Motorhaube beschränkt ist. Es ist für dieses Umfeld ebenfalls typisch, dass sämtliche einem Turboladerverdichter zugeführte Luft erst durch ein Luftfilter gehen muss, um Staubteilchen zu entfernen, die den Turbolader und/oder den Motor, mit dem er verbunden ist, schädigen könnten. Wegen der räumlichen Beschränkungen ist es oft möglich, dass diese Komponenten nicht beieinander unter der Motorhaube untergebracht werden können und folglich das Luftfilter an einer Stelle weit entfernt vom Turboladerverdichtereinlass angebracht werden muss. In dieser üblichen Situation kann die Schlauch- oder Rohrleitung vom Luftfilter zum Verdichter auf Umwegen verlaufen und so in der Luft in der Leitung eine unbeabsichtigte und unerwünschte Vordrallbewegung in einer unbekannten Richtung aufbauen. Um dieses Problem auszuschalten, wird bevorzugt, strömungsaufwärts vom Vordrallgenerator eine zentrale stabilisierende Trennwand in den Ansaugkanal einzubauen. Diese Trennwand hat den Zweck, jeglichen unbeabsichtigten oder unerwünschten Vordrall aufzuheben, der durch die Gestalt oder Windungen der zum Verdichter führenden Luftleitung erzeugt worden sein kann, so dass der tatsächlich zum Verdichter gelieferte Vordrall zuverlässiger und wirksamer ist.
In noch einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der allgemein senkrechte, zum Verdichtereinlass führende Ansaugkanal exzentrisch zum Verdichtereinlass angeordnet, und eine einzelne verformbare Schaufel ist am weitesten entfernt von der Mitte des Verdichterrades entlang der Wand des Ansaugkanals angebracht. Mit der Schaufel in ihrer unausgelenkten Stellung bildet die zugeführte Luft einen Wirbel oder Vordrall in einer vorbestimmten Richtung, zum Beispiel einen negativen Vordrall. Wenn die Schaufel teilweise ausgelenkt ist, erweist sich der Vordrallwirbel als im Wesentlichen unterdrückt, wodurch jeglicher Vordrall zum Verdichter eliminiert ist. Wenn die Schaufel stärker ausgelenkt wird, erzeugt sie eine Vordrallbewegung in der hereinkommenden Luft in einer Richtung, die der des vorher vorhandenen unausgelenkten Wirbels entgegengesetzt ist, bzw. in diesem Beispiel einen positiven Vordrall. Wie oben erwähnt, kann diese Anordnung so ausgelegt werden, dass der natürliche Wirbel, der verhältnismässig schwach ist, ein negativer Vordrall sein kann, so dass ein schwacher negativer Vordrall mit einem offenen Kanal, der eine maximale Strömung zulässt, verbunden ist, während ein maximaler positiver Vordrall durch eine ganz ausgelenkte Schaufel bei verhältnismässig niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt wird.
In allen oben erwähnten Ausführungsformen ist die Vorrichtung, die eingesetzt wird, um diese Erfindung praktisch umzusetzen, verhältnismässig einfach zu fertigen und hat wenige bewegte Teile. Entsprechend liefert die vorliegende Erfindung eine leistungsfördernde Vorrichtung, die leicht ist, also wenig zur Gesamtmasse eines Fahrzeugmotors beiträgt, und im Betrieb dauerhaft ist.
Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden klarer aus der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen hervorgehen, wenn in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen betrachtet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird beispielhaft und nicht einschränkend in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezugszahlen ähnliche Teile anzeigen und in denen
1 eine geschnittene Vorderansicht des Vordrallgenerators der vorliegenden Erfindung ist, der in Verbindung mit einem Radialverdichter eines Turboladers gezeigt wird;
2 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators aus 1 von links, die die Vordrall erzeugenden Schaufeln in ihrer unausgelenkten Stellung zeigt;
3 ist eine Seitenansicht von links wie in 2, aber zeigt die Vordrall erzeugenden Schaufeln in einer ausgelenkten Stellung;
4 ist eine Vorderansicht einer alternativen Schaufel zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine teilgeschnittene Seitenansicht der alternativen Schaufel der 4 von links, gezeigt in ihrer Beziehung zu einem Schlitz in einem ringförmigen Betätigungsbügel;
6 ist eine Vorderansicht noch einer weiteren, alternativen Schaufel zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine teilgeschnittene Seitenansicht der alternativen Schaufel der 6 von links, gezeigt in ihrer Beziehung zu einem Schlitz in einem ringförmigen Betätigungsbügel;
8 ist eine Ansicht entlang der Linie 8-8 von 6, die ein Merkmal der Schaufel von 6 veranschaulicht;
9 ist eine Vorderansicht noch einer weiteren, alternativen Schaufel zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
10 ist ein Schnittansicht entlang der Linie 10-10 von 9, die ein Merkmal der Schaufel von 9 veranschaulicht;
11 ist eine Vorderansicht noch einer weiteren, alternativen Schaufel zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine Ansicht der alternativen Schaufel von 11 entlang der Linie 12-12 von 11, gezeigt in ihrer Beziehung zu einer Gabel, die sich von einem ringförmigen Betätigungsbügel her erstreckt;
13 ist eine Ansicht entlang der Linie 13-13 von 12, die ein Merkmal der Schaufel und des Betätigungsorgans der 11 und 12 zeigt;
14 ist eine geschnittene Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des Vordrallgenerators der vorliegenden Erfindung;
15 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators der 14 von links, die die Vordrall erzeugenden Schaufeln in ihrer nicht ausgelenkten Stellung zeigt;
16 ist eine geschnittene Vorderansicht des Vordrallgenerators von 14, die aber die Vordrall erzeugenden Schaufeln in einer ersten Richtung ausgelenkt zeigt;
17 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators der 16 von links, die die Vordrall erzeugenden Schaufeln in einer ersten Richtung ausgelenkt zeigt;
18 ist eine geschnittene Vorderansicht des Vordrallgenerators von 14, die aber die Vordrall erzeugenden Schaufeln in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung ausgelenkt zeigt;
19 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators der 18 von links, die die Vordrall erzeugenden Schaufeln in einer zweiten Richtung ausgelenkt zeigt;
20 ist eine geschnittene Vorderansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in Verbindung mit einem Turboladerverdichter gezeigt;
21 ist eine geschnittene Seitenansicht des Vordrallgenerators der 20 von links, die die Vordrall erzeugenden Schaufeln in ihrer unausgelenkten Stellung zeigt;
22 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators der 21 von links, die aber eine erste Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
23 ist eine Seitenansicht des Vordrallgenerators der 21 von links, die aber eine zweite Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
24 ist eine perspektivische Ansicht des in den Ausführungsformen der 21, 22 und 23 gezeigten auslenkenden Stellgliedes;
25 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Vordrallgenerators wie in 21, von links, der aber nur eine einzige Vordrall erzeugende Schaufel hat, wobei die Vordrall erzeugende Schaufel in ihrer unausgelenkten Stellung gezeigt wird;
26 ist eine geschnittene Seitenansicht wie in 25, von links, die aber die Vordrall erzeugende Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
27 ist eine geschnittene Teilansicht des Ansaugkanals des Vordrallgenerators der 21 und 25, die eine alternative auslenkbare Schaufel mit Stellglied zeigt, wobei die Schaufel sich in einer unausgelenkten Stellung befindet;
28 ist eine geschnittene Teilansicht wie in 27, die aber die auslenkbare Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
29 ist eine geschnittene Teilansicht des Ansaugkanals wie in 27, die ein Paar alternativer auslenkbarer Schaufeln mit Stellgliedern zeigt, wobei sich eine erste Schaufel in einer ausgelenkten Stellung und eine zweite Schaufel in einer nicht ausgelenkten Stellung befindet;
30 ist eine geschnittene Teilansicht wie in 29, die aber die erste Schaufel in einer nicht ausgelenkten Stellung und die zweite Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
31 ist eine geschnittene Teilansicht des Ansaugkanals wie in 27, die ein anderes Paar alternativer auslenkbarer Schaufeln mit Stellgliedern zeigt, wobei sich beide Schaufeln in einer nicht ausgelenkten Stellung befinden;
32 ist eine geschnittene Teilansicht wie in 31, die aber die erste Schaufel in einer ausgelenkten Stellung und die zweite Schaufel in einer nicht ausgelenkten Stellung zeigt;
33 ist eine geschnittene Teilansicht wie in 31, die aber die erste Schaufel in einer nicht ausgelenkten Stellung und die zweite Schaufel in einer ausgelenkten Stellung zeigt;
34 ist eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von links, in der der Ansaugkanal des Verdichters zum Verdichtereinlass exzentrisch ist, während eine einzelne verformbare Ablenkplatte in einer nicht ausgelenkten Stellung gezeigt wird;
35 ist eine geschnittene Seitenansicht wie in 34, von links, in der aber die Ablenkplatte in einer teilweise ausgelenkten Stellung gezeigt wird;
36 ist eine geschnittene Seitenansicht wie in 34, von links, in der aber die Ablenkplatte in einer voll ausgelenkten Stellung gezeigt wird;
37 zeigt die Schaufeln, integral ausgebildet mit einem sie umgebenden inneren und äusseren Befestigungsring nach der Herstellung durch Laserschneiden und/oder Stanzen;
38 ist eine Draufsicht in der Richtung des Pfeils XXXVIII von 37 nach Herausbiegen der Schaufeln um etwa 90° aus der Ebene der 37; und
39 veranschaulicht das Detail XXXIX von 37 in einem übertrieben grösseren Massstab.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine Turboladerverdichtergruppe wird allgemein bei 10 in 1 gezeigt und besteht aus einem Verdichterkörper 12, der ein Verdichterrad 14 beherbergt, das auf einer zentralen drehbaren Welle 16 drehbar im Verdichterkörper angebracht ist. In einem Turbolader wird die Welle 16 normalerweise von einer (nicht gezeigten) Turbine angetrieben, die in herkömmlicher und bekannter Weise von den Abgasen eines (ebenfalls nicht gezeigten) Verbrennungsmotors angetrieben wird. Der Motor ist der Empfänger von Druckluft aus der Verdichtergruppe 10.
Der Verdichter 10 ist als ein radialer Zentrifugalverdichter veranschaulicht, der Luft an einem Einlass 18 empfängt und diese Luft radial über Flügel 20, die auf dem Verdichterrad 14 ausgebildet sind, in einen peripheren Auslasskanal 22 drückt, der im Verdichterkörper 12 ausgebildet ist und zum Verdichterauslass 24 führt. Der Auslass 24 steht in direkter Verbindung mit dem Lufteintritt des Verbrennungsmotors, mit dem die Turboladerverdichtergruppe 10 verbunden ist.
Zum Zweck der Erzeugung eines Vordralls in der dem Verdichtereinlass 18 zugeführten Luft steht eine Vordrall erzeugende Gruppe zur Verfügung und wird allgemein bei 26 in 1 gezeigt. Die Vordrall erzeugende Gruppe 26 ist angrenzend an den Verdichtereinlass 18 am Verdichterkörper 12 angebracht und besteht aus einem Gehäuse der Vordrallgruppe, das allgemein bei 28 gezeigt wird, einem drehbaren ringförmigen Bügel 30 und einer Schaufelträgergruppe 32. Die Innenseite des Vordrallgehäuses 28, der Bügel 30 und der Schaufelträger 32 bilden zusammen einen Ansaugkanal 34, der Luft zum Verdichtereinlass 18 führt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung besteht das Gehäuse 28 der Vordrallgruppe selbst aus zwei getrennten Teilen: einem äusseren Gehäuseabschnitt 36 und einem inneren Abschnitt 38, der beim Verdichtereinlass 18 mit dem Verdichterkörper 12 verbunden ist. Diese Teile sind durch herkömmliche Mittel miteinander verbunden. Zum Beispiel ist der äussere Gehäuseabschnitt 36 am inneren Abschnitt 38 durch eine Reihe von Haltern 40 mit Gewinde angebracht, und der äussere Gehäuseabschnitt 36 ist mit dem Verdichterkörper 12 auch durch eine Reihe von Haltern 42 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Schaufelträgergruppe 32 am äusseren Gehäuseabschnitt 36 durch eine Reihe von Haltern 44 festgemacht. Es versteht sich, dass wegen des sehr begrenzten Raumes unter der Motorhaube eines Motorfahrzeugs zumindest ein Teil des Vordrallgehäuses 28, statt des in 1 gezeigten aufgeschraubten Gehäuses integral mit dem Verdichterkörper 12 ausgebildet sein könnte, um Platz zu sparen.
Die Schaufelträgergruppe 32 schliesst eine Anordnung von Vordrall erzeugenden Schaufeln 46 ein, die axial um eine zentrale Achsverkleidung 48 angeordnet sind, die axial und in der Mitte der Vordrallgeneratorgruppe 26 sowie mit der Welle 16 des Verdichterrades 14 ausgerichtet montiert ist. Die Schaufeln 46 sind dünn gebaut, und in ihrer natürlichen, nicht ausgelenkten Stellung sind sie ebenfalls axial im Ansaugkanal 34 angeordnet, um die Luftströmung zum Verdichtereinlass 18 nicht abzulenken oder signifikant zu behindern. Die Verkleidung 48 dient dazu, die sich durch den Kanal 34 bewegende Luft zu beschleunigen, und lässt die Luftströmung nicht auf das Ende der Verdichterradwelle 16 auftreffen, wodurch sie eine gleichförmige Luftströmung zum Verdichtereinlass 18 ermöglicht. Bevorzugt sind die Schaufeln 46 aus dünnem Metallblech gebildet und integral mit der zentralen Verkleidung 48 und der Aussenhülle 50 der Schaufelträgergruppe 32 verpresst. Die Schaufeln 46 besitzen eine Lasche 52 an der radial äusseren Ecke der Vorderkante jeder Schaufel 46, die mit der Aussenhülle 50 der Schaufelträgergruppe 32 verpresst ist. Auf diese Weise sind die Aussenhülle 50, die Schaufeln 46 und die Verkleidung 48 zum Zweck des Zusammenbaus der Vordrallgeneratorgruppe 26 als eine einheitliche Schaufelträgergruppe 32 ausgebildet.
Die radial äussere Kante 54 der Schaufeln 46 ist als ein Kreisausschnitt ausgebildet, um sich der Gestalt der Innenseite 56 des drehbaren ringförmigen Bügels 30 anzupassen und sich in einem sehr geringen Abstand von dieser Innenseite zu halten, die eine abgestumpft kugelförmige Gestalt hat. Die abgestumpft kugelförmige Gestalt der Innenseite 56 erlaubt ein enges Anschmiegen der Aussenkante 54 der Schaufeln 46 an den Ansaugkanal 34, wenn sie ausgelenkt sind, wie eingehender hierunter beschrieben. Die abgestumpft kugelförmige Gestalt der Fläche 56 dient auch dazu, den Durchmesser des Kanals 34 zu verringern und daher den Luftstrom zum Verdichtereinlass 18 zu beschleunigen. Ein wesentlicher Abschnitt der radial inneren Kante 58 der Schaufeln 46, der deren Hinterkanten am nächsten ist, ist geringfügig von der zentralen Verkleidung 48 beabstandet, um eine Auslenkung der Schaufeln 46 zu ermöglichen.
Die Vorderkante 60 der Schaufeln 46 wird gezeigt als von der zentralen Verkleidung 48 aus zur Innenwand des Ansaugkanals 34 hin linear vorgeschwenkt. In ähnlicher Weise wird die Hinterkante 62 der Schaufeln 46 gezeigt als von der Verkleidung 48 zur Innenseite 56 des Bügels 30 hin zurückgeschwenkt. Es versteht sich, dass eine beliebige andere Geometrie der Vorder- und Hinterkanten 60 und 62 der Schaufeln 46 verwendet werden könnte. Zum Beispiel könnten die Vorder- und Hinterkanten 60 und 62 gerade und senkrecht zur Achse der Verkleidung 48 sein, oder eine der Kanten könnte senkrecht sein, während die andere vor- bzw. zurückgeschwenkt ist. Ausserdem könnten beide Kanten entweder vorwärts oder rückwärts gekrümmt sein. Während jede beliebige Kombination von gerader, geschwenkter oder gekrümmter Gestalt der Vorder- und Hinterkanten 60 und 62 verwendet werden könnte, wird die bevorzugte Ausführungsform in 1 gezeigt.
Um eine seitliche Auslenkung der Schaufeln 46 zu ermöglichen, eine Ablenkung der durch den Kanal 34 strömenden Luft zu erzeugen und dadurch den erwünschten positiven oder negativen Vordrall am Einlass 18 zu erzeugen, ist eine Lasche 64 vorgesehen, die sich nahe der Hinterkante 62 der Schaufeln 46 von deren Aussenkante 54 weg erstreckt. Diese Lasche 64 wird in einen allgemein axialen Schlitz 66 aufgenommen, der in der Innenwand des ringförmigen Bügels 30 ausgebildet ist. Wenn gewünscht, kann der allgemein axiale Schlitz 66 gekümmt sein, so dass er nicht vollkommmen axial ist, damit jede gewünschte Gestalt der ausgelenkten Schaufel 46 erreicht werden kann. Um eine gleichförmige Auslenkung der Schaufeln 46 zu schaffen und ein Festklemmen der Lasche 64 im Schlitz 66 zu verhindern, sind die Lasche 64 und die Hinterkante 62 der Schaufeln 46 bevorzugt durch einen Abschnitt grösserer Dicke 68 entlang der Hinterkante der Schaufeln 46 verstärkt, und die Lasche 64 hat zwei halbkugelförmige Lager 70, die so angeordnet sind, dass sie mit den Wandungen der Schlitze 66 in Berührung kommen und eine Verdrehung der Laschen 64 in den Schlitzen 66 ermöglichen. Zusätzlich hat der ringförmige Bügel 30 drei Lagerflächen, um im Gehäuse 28 positioniert zu werden und um seine Drehung bezüglich des Gehäuses zu ermöglichen. An seiner Vorderkante steht Bügel 30 mit der Aussenhülle 50 des Schaufelträgers 32 in Berührung. An seiner Peripherie steht der Bügel 30 mit dem äusseren Gehäuseabschnitt 36 in Berührung, an seiner Hinterkante steht der Bügel 30 mit dem inneren Abschnitt 38 des Gehäuses 28 in Berührung.
Bei dieser Anordnung wird die tatsächliche Auslenkung der Schaufeln 46 zur Schaffung entweder eines positiven oder eines negativen Vordralls durch Drehung des ringförmigen Bügels 30 entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn (in 1 von links her gesehen) erreicht. Eine Drehung des Bügels 30 wird durch ein Kegelradgetriebe 72 erreicht, das mit einem Kegelradsegment 74 auf der Peripherie des Bügels 30 zusammenwirkt. Das Zahnradgetriebe 72 ist auf eine Welle 76 montiert, die durch einen Arm 78 gedreht werden kann. Der Arm 78 kann durch beliebige geeignete (nicht gezeigte) Mittel bewegt werden, um die erwünschte Drehung des Bügels 30 entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn zu bewerkstelligen. Zum Beispiel kann der Arm 78 an einer durch ein elektromechanisches oder pneumatisches Stellglied betätigten mechanischen Kupplung angebracht oder ein Teil davon sein, oder eine geeignete Stellvorrichtung wie ein Servomotor könnte direkt an der Welle 76 angebracht sein. Dieser einfache Schaufelstellmechanismus ist viel weniger kompliziert, als es Systeme des Standes der Technik zeigen, und kann in beiden Richtungen rasch und leicht mit minimalem Widerstand bzw. minimaler Reibung betätigt werden.
Wenn der Bügel 30 gedreht wird, um die Schaufeln 46 auszulenken, folgt Lasche 64 dem Bügel 30, weil sie im Schlitz 66 gefangen ist, und die Schaufeln 46 verbiegen sich in der Drehrichtung des Bügels 30. Während sich die Schaufeln 46 in der Drehrichtung des Bügels 30 verbiegen, wandert Lasche 64 entlang des Schlitzes 66 zur Vorderkante der Schaufeln 46 hin (nach links in 1). Mit dieser Anordnung kann jede gewünschte Stärke der Auslenkung der Schaufeln 46 entweder in der positiven oder in der negativen Vordrallrichtung bewirkt werden.
Es sollte vermerkt werden, dass jegliche Anzahl von Schaufeln 46 verwendet werden könnte, um den gewünschten positiven oder negativen Vordrall der zum Verdichter strömenden Luft zu erreichen. Eine einzelne Schaufel 46 könnte eingesetzt werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, aber in der in 1 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung wird diese Auslegung nicht bevorzugt. Zwei oder mehr als zwei Schaufeln 46 werden bevorzugt, und in der in 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsform werden sieben Schaufeln 46 gezeigt.
Es sollte auch vermerkt werden, dass weitaus weniger Teile als in den komplizierteren und teureren Strukturen, die im Stande der Technik gezeigt werden, erforderlich sind, um die Vordrall erzeugende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu konstruieren. Diese Ausführungsform der Erfindung enthält nämlich nur vier funktionelle Grundteile: das Vordrallgruppengehäuse 28, den drehbaren ringförmigen Bügel 30, das Kegelradgetriebe 72 und die integrale Schaufelträgergruppe 32. Ferner wird das feststehende Gehäuse 28 der vorliegenden Erfindung direkt und ohne jede direkte Verbindung zu den rotierenden Teilen des Verdichters wie dem Verdichterrad 14 auf den feststehenden Verdichterkörper 12 aufgeschraubt. Dementsprechend müssen weniger Teile mit den teuren Dichtungen abgedichtet werden, die dafür ausgelegt sind, einer schnell drehenden Grenzfläche standzuhalten. Da solche Dichtungen sich schnell abnutzen, ist der Vordrallgenerator der vorliegenden Erfindung nicht nur verhältnismässig wenig kostspielig in der Fertigung, sondern auch weitaus zuverlässiger und dauerhafter im Betrieb, weniger teuer in der Instandhaltung und erleidet weitaus weniger Gasverlust als Vorrichtungen des Standes der Technik.
2 ist eine von der linken Seite der Vordrallgeneratorgruppe 26 von 1 gesehene Ansicht und zeigt die Schaufeln 46 in ihrer nicht ausgelenkten Stellung. Aus dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Schaufeln 46 sehr dünn sind und dem Luftstrom zum Einlass 18 des Verdichters wenig oder keinen Widerstand entgegensetzen. Ferner sind die Laschen 64 und halbkugelförmigen Lager 70 in die Schlitze 66 des ringförmigen Bügels 30 aufgenommen zu sehen.
In 3 ist der ringförmige Bügel 30 im Uhrzeigersinn gedreht worden, und die Schaufeln 46 sind ausgelenkt worden, um zu bewirken, dass die durch den Kanal 34 strömende Luft einen Vordrall im Uhrzeigersinn erzeugt, wenn sie in den Einlass 18 des Verdichters eintritt. In 2 und 3 ist zu sehen, dass sich das Verdichterrad 14 im Uhrzeigersinn dreht und der Verdichterauslass 24 sich auf der linken Seite des Verdichters befindet. Entsprechend würde die in 3 gezeigte Auslenkung der Schaufeln 46 einen positiven Vordrall der zum Verdichtereinlass 18 gelieferten Luft erzeugen.
Es versteht sich, dass der ringförmige Bügel 30 ebenso leicht im Gegenuhrzeigersinn (wie in 3 gesehen) gedreht werden könnte, was bewirken würde, dass die Schaufeln 46 in einer Richtung ausgelenkt werden, die der in 3 gezeigten entgegengesetzt ist, und einen Vordrall im Gegenuhrzeigersinn oder negativen Vordrall der in den Verdichtereinlass 18 eintretenden Luft erzeugen. Die Grösse der Auslenkung ist nicht auf die in 3 gezeigte beschränkt. Die Grösse der Auslenkung ist vielmehr nur durch die Länge des Schlitzes 66 im Bügel 30 begrenzt und kann für jeden beliebigen Betrag der Auslenkung ausgelegt werden. Auch können durch eine einfache Drehung des Armes 78 in der einen oder anderen Richtung die Schaufeln 46 von der Schaffung eines extrem grossen positiven Vordralls zur Schaffung eines extrem grossen negativen Vordralls oder zu einer jeglichen Zwischenposition verstellt werden, und zwar rasch und einfach, wie von den Erfordernissen der Motorleistung verlangt.
4 zeigt eine alternative Vordrall erzeugende Schaufel 80, die den Schaufeln 46 ähnlich ist, aber nur einen verstärkten Abschnitt 82, jedoch keine halbkugelförmigen Lager 70 besitzt. Die Schaufel 80 ist als getrennt von der zentralen Verkleidung 48 ausgebildet gezeigt, aber sie könnte integral mit der Verkleidung 48 und der Aussenhülle 50 der Schaufelträgergruppe 32 ausgebildet werden, wie es die Schaufeln 46 sind. Dies gilt auch für die alternativen Schaufeln, die unten in 6 bis 13 gezeigt werden. Aus 5 ist ersichtlich, dass der verstärkte Abschnitt 82 der Schaufel 80 geringfügig dünner als die Breite des Schlitzes 66 ist, so dass der Abschnitt 82 sich innerhalb des Schlitzes 66 verdrehen und axial bewegen kann, wenn Schaufel 80 zur Vordrallerzeugung ausgelenkt wird. Wenn gewünscht, kann das äussere Ende des verstärkten Abschnitts 82 einen ovalen oder elliptischen Querschnitt haben (wie in 5 von oben her gesehen), um diese Bewegung zuzulassen.
Eine weitere alternative Vordrallgeneratorschaufel 84 ist in 6, 7 und 8 veranschaulicht und ist der Schaufel 80 insofern ähnlich, als sie als eine getrennte Schaufel gezeigt ist, aber integral mit der zentralen Verkleidung 48 und der Aussenhülle 50 ausgebildet werden könnte, wenn erwünscht. Die alternative Schaufel 84 unterscheidet sich dadurch, dass sie keinen verstärkten Abschnitt an ihrer Hinterkante hat, sondern vielmehr einen doppelt gebogenen bzw. gekröpften Abschnitt 86, der dazu dient, sowohl die Hinterkante der Schaufel 84 zu verstärken als auch einen tragenden Abschnitt 88 (8) an der Lasche 90 zu liefern, der eine Steuerung der Lasche 90 durch den Schlitz 66 sowie eine verdrehende und axiale Bewegung der Lasche 90 im Schlitz 66 ermöglicht.
Noch eine weitere alternative Vordrallgeneratorschaufel 92 ist in 9 und 10 veranschaulicht. Die alternative Schaufel 92 besitzt eine Lasche 94, die in den Schlitz 66 im Bügel 30 aufgenommen werden kann, und die Lasche 94 hat ein Paar entgegengesetzt ausgericheter, gewölbter Einschnitte 96, die allgemein halbkugelförmig sind. Die Einschnitte 96 bilden gekrümmte Aussenseiten 98, die an den Innenwänden des Schlitzes 66 ruhen, wenn der Bügel 30 bewegt wird, um die Schaufel 92 auszulenken und Vordrallströmung zu erzeugen. Während anerkannt wird, dass ein einzelner solcher gewölbter Einschnitt 96 die erwünschte Funktion ausfüllen würde, so wird das Paar von entgegengesetzt ausgerichteten Einschnitten 96, die in 9 und 10 veranschaulicht werden, bevorzugt, da sie eine bessere Führung der Lasche 94 in beiden Richtungen im Schlitz 66 liefert.
Statt eine Lasche 64 zu haben, die sich von der Schaufel 46 her in einen Schlitz 66 im Bügel 30 erstreckt, kann alternativ der Schlitz 66, wie am besten aus den 11, 12 und 13 zu ersehen, weggelassen und der Bügel 30 mit einem Paar von Laschen 100 versehen werden, die sich vom Bügel aus in den Kanal 34 hinein erstrecken und so angebracht sind, dass sie zu beiden Seiten jeder Schaufel 102 angeordnet sind. Die Schaufeln 102 haben keine Lasche, die sich von ihrer radial aussen liegenden Kante 104 weg erstreckt. Stattdessen wird die Aussenkante 104 der Schaufeln 102 etwa in der Mitte der Aussenkante 104 zwischen die Laschen 100 aufgenommen. Bevorzugt sind die nach innen weisenden Oberflächen 106 der Laschen 100 konvex (10), so dass sich die Laschen bei einer Drehung des Bügels 30 entweder im Uhr- oder im Gegenuhrzeigersinn an die Schaufeln 102 anlehnen und sie auslenken, während sich die Aussenkante 104 der Schaufeln 102 axial zwischen den Laschen 100 bewegen kann.
Wie oben erwähnt, liegt einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung darin, dass sie eine Vorrichtung von geringem Gewicht ist, die durch Einfachheit des Aufbaus und des Betriebs gekennzeichnet ist. Wie erwähnt wurde, enthält die Vorrichtung der vorausgegangenen 1 bis 13 nur vier arbeitende Grundteile: das Gehäuse 28 der Vordrallgruppe, den ringförmigen drehbaren Bügel 30, die Schaufelträgergruppe 32 und das Kegelradgetriebe 72. Eine alternative Form der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird in 14 bis 19 veranschaulicht. Wie aus 14 zu ersehen, besteht diese Form der Vordrallgruppe, die allgemein bei 108 angedeutet ist, aus nur drei arbeitenden Grundteilen: einem Vordrallgehäuse 110, einem Schaufelträger, der allgemein bei 112 angedeutet und dem Schaufelträger 32 der obigen Ausführungsform ähnlich ist, sowie einem Zahnradgetriebe 114, um zu bewirken, dass sich der Schaufelträger 112 durch Zusammenwirken mit einer Zahnstange 115 auf dem Schaufelträger 112 axial teleskopartig zum Vordrallgehäuse 110 hin bzw. davon weg bewegt. Mit dieser sehr einfachen und billigen Anordnung entfällt die Notwendigkeit eines drehbaren Bügels 30. Stattdessen sind eine Anzahl allgemein schraubenförmiger Rillen 116 auf der Innenseite 118 des Vordrallgehäuses 110 ausgebildet. Die Rillen 116 dienen als Führung für die Hinterkante der Schaufeln 120 entweder in der positiven oder in der negativen Richtung, wenn der Schaufelträger 112 axial zum Gehäuse 110 hin bzw. davon weg bewegt wird, wie eingehender unten beschrieben.
Konkreter besteht, wie in 14 veranschaulicht, das Vordrallgehäuse 110 aus drei Stücken: einem Anfügungsabschnitt 122 zum Anfügen an den (nicht gezeigten) Einlass eines Turboladerverdichters, einem äusseren Gehäuseabschnitt 124 und einem inneren Abschnitt 126. Wenn gewünscht, können zwei oder mehr dieser Abschnitte miteinander gegossen oder anderweit integral miteinander zusammen gefertigt oder als ein Teil des Turboladerkörpers ausgebildet werden. Die Innenseite des inneren Abschnitts und der Anfügeabschnitt bilden zusammen einen Ansaugkanal, der Luft zum Verdichtereinlass leitet.
Wie bei der in Verbindung mit 1 bis 13 oben gezeigten Ausführungsform besteht der Schaufelträger 112 aus einer Aussenhülle 128, einer Anzahl von Schaufeln 120 und einer zentralen Verkleidung 130. Bevorzugtermassen sind die Schaufeln 120 aus dünnem Blechmetallmaterial hergestellt und integral sowohl mit der Aussenhülle 128 als auch mit der zentralen Verkleidung 130 gepresst, die aus einem beständigen Kunststoffmaterial gebildet sein kann. Bei dieser Anordnung wird die Vorderkante der Schaufel 120 an der Innenwand der Aussenhülle 128 festgemacht, während die Hinterkante der Schaufel 120 eine Lasche 132 hat, die in die schraubenförmigen Rille 116 aufgenommen wird, die auf der Innenseite 118 des inneren Abschnitts 126 des Gehäuses 110 ausgebildet ist. Im Unterschied zu den axialen Schlitzen 66 im ringförmigen Bügel 30 sind die Rillen 116 im inneren Abschnitt 126 bezüglich der Achse der Vordrallgruppe 108 abgewinkelt und verursachen daher eine Ablenkung der Hinterkante der Schaufel 120, wenn der Schaufelträger axial zum Vordrallgehäuse 110 hin oder davon weg bewegt wird.
Um eine axiale Bewegung des Schaufelträgers 112 zum Gehäuse 110 hin bzw. davon weg zu schaffen, ist ein Motor 134 (15) durch einen Befestigungsbügel 136 am Gehäuse 110 angebracht. Der Motor ist so angeordnet, dass das Zahnradgetriebe 114 über eine mit dem Zahnradgetriebe 114 verbundene Antriebswelle 138 angetrieben wird. Wenn das Zahnradgetriebe 114 durch den Motor 134 im Gegenuhrzeigersinne (wie in 14 gesehen) gedreht wird, wirkt das Zahnradgetriebe 114 mit der Zahnstange 115 zusammen, um den Schaufelträger zum Gehäuse 110 hin zu verschieben, bzw. nach rechts, wie in 14 gesehen. Wenn umgekehrt das Zahnradgetriebe im Uhrzeigersinne gedreht wird, wird der Schaufelträger nach links bzw. vom Gehäuse 110 weg bewegt.
Wenn sich die Vordrallgruppe 108 in der in 14 und 15 veranschaulichten Position befindet, liegt die Lasche 132 in einer Zwischenposition in der Rille 116, d.h. an keinem der äussersten Enden der Rille 116, so dass wenigstens eine gewisse Bewegung entweder zum Gehäuse 110 hin oder davon weg noch möglich ist. Wie am besten aus 15 zu sehen, sind in dieser Position die Schaufeln 120 mit der Achse des Gehäuses 110 ausgerichtet und lenken die durch die Gruppe 108 hindurchgehende Luft nicht ab.
In 16 ist das Zahnradgetriebe 114 im Gegenuhrzeigersinn gedreht worden, und der Schaufelträger 112 ist nach rechts bewegt worden (wie durch den Pfeil angedeutet). In dieser Position sind die Laschen 132 zu dem am nächsten beim Verdichtereinlass befindlichen Ende der Rille 116 hin bewegt worden, und eine maximale Auslenkung in dieser Richtung ist erreicht worden. Es sollte verständlich sein, dass die Rillen 116 so ausgelegt werden können, dass jeder beliebige Betrag einer Auslenkung entweder in der positiven oder der negativen Richtung geschaffen wird. Ausserdem brauchen die Rillen nicht den gleichen Betrag der Auslenkung in den beiden Richtungen zu schaffen. Vielmehr sind in der bevorzugten Ausführungsform die Rillen 116 so ausgelegt, dass sie mehr Auslenkung in der positiven Vordrallrichtung als in der negativen Richtung schaffen.
17 zeigt die Auslenkung der Schaufeln 120, wenn sich der Schaufelträger 112 in der in 16 veranschaulichten Position befindet. Wenn wir zum Beispiel annehmen, dass die Vordrallgruppe 108 der 17 an einem Verdichter angebracht ist, der sich im Uhrzeigersinn dreht (wie in 2 gezeigt), dann sind die Schaufeln 120 in 16 und 17 so ausgelenkt worden, dass sie einen Vordrall im Uhrzeigersinn bzw. positiven Vordrall erzeugen. Es ist erwünscht, einen starken positiven Vordrall zu erzeugen, indem der Schaufelträger zum Gehäuse und daher zum Verdichtereinlass hin bewegt wird, und nicht, indem er davon weg bewegt wird. Um dies zu erreichen, werden die Rillen 116 so angeordnet, dass sie eine maximale Auslenkung der Schaufeln 120 in der positiven Richtung bewirken, und der Schaufelträger 112 ist in eine Position am nächsten beim Verdichtereinlass hin bewegt worden, wenn sich die Schaufeln 120 in der Stellung eines maximalen positiven Vordralls befinden. Dies ist wünschenswert, da sich erwiesen hat, dass ein starker positiver Vordrall die Verdichterleistung bei verhältnismässig niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten erhöht.
Wenn das Zahnradgetriebe 114 aus der in 16 und 17 veranschaulichten Position heraus im Uhrzeigersinn gedreht wird, bewegt sich der Schaufelträger nach links bzw. vom Gehäuse 110 und vom Verdichtereinlass weg. Während die Laschen 132 den Rillen 116 entlang gleiten, nimmt die Auslenkung der Schaufeln 120 in der positiven Richtung ab, bis der Schaufelträger 112 die in 14 und 15 veranschaulichte Position erreicht hat, wo sich die Schaufeln 120 in einer neutralen Stellung befinden. Wenn das Zahnradgetriebe 114 weiter im Uhrzeigersinn gedreht wird, bewegt sich der Schaufelträger 112 weiter nach link, wie in 18 und 19 gezeigt, und die Laschen 132 bewegen sich in den Rillen 116 weiter nach links, wodurch sie die Schaufeln veranlassen, in der negativen Richtung ausgelenkt zu werden. Wie oben erwähnt, können die Rillen 116 so aus gelegt werden, dass sie einen beliebigen Betrag der Auslenkung entweder in der positiven oder in der negativen Richtung schaffen, wie gewünscht, aber bevorzugtermassen ist die in der negativen Richtung geschaffene Auslenkung, wie veranschaulicht, so ausgelegt, dass sie geringer als die maximale Auslenkung in der positiven Richtung ist. Dies deshalb, weil gezeigt worden ist, dass bei verhältnismässig hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Wirkungsgrad eines Verdichters selbst durch einen schwachen negativen Vordrall erhöht werden kann. Entsprechend sind die in dieser Ausführungsform veranschaulichten Rillen 116 nicht einheitlich spiralförmig, sondern haben eine Gestalt, die eine übertriebene Auslenkung in der positiven Richtung schafft, wenn der Schaufelträger 112 zum Gehäuse 110 hin bewegt wird, aber eine kleinere Auslenkung, wenn der Schaufelträger 112 vom Gehäuse 110 weg bewegt wird.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 20 veranschaulicht, die einen Radialverdichter 140 für einen Turbolader zeigt, der ein Verdichterrad 142 sowie einen Ansaugkanal 144 besitzt, der allgemein senkrecht zur Achse des Verdichters 140 und des Verdichterrades 142 angeordnet ist. Ein Abschnitt 146 des Ansaugkanals 144 ist von allgemein rechteckigem Querschnitt und dem Verdichtereinlass 148 unmittelbar benachbart. Eine dünne flache, verformbare Platte 150 ist mit ihrem strömungsaufwärts gelegenen Ende durch Halter 152 so an einer Seitenwand des rechteckigen Abschnitts 146 des Ansaugkanals angebracht, dass sie in ihrer nicht ausgelenkten Stellung entlang der Wand des Kanals 144 gehalten wird und sich völlig ausserhalb des Stromes der Luft durch den Kanal 144 befindet. Um jeglichen unbeabsichtigten oder unerwünschten Vordrall zu neutralisieren, der in der zum Vordrallgenerator der vorliegenden Erfindung führenden Leitung entstanden sein kann, kann eine Trennwand 154 direkt strömungsaufwärts von der Platte 150 in den Kanal 144 eingesetzt werden. Die Trennwand 154 kann durch Halter 156 eingebaut und befestigt oder als ein integraler Bestandteil des Kanals 144 gegossen oder gepresst werden.
Wie am besten aus 21 zu ersehen, dreht sich ein Radialverdichterrad 142 im Uhrzeigersinn, wie in 21 gesehen, um verdichtete Luft an den Verdichterausgang 158 zu liefern. Die Platte 150 wird flach gegen eine Seitenwand des Ansaugkanals 144 gehalten, so dass der Ansaugkanal 144 in ihrer unausgelenkten Stellung völlig frei ist. Ausserdem ist eine zweite Platte 160 an der entgegengesetzten Wandung des Ansaugkanals 144 befestigt, und in ihrer unausgelenkten Stellung, die in 21 veranschaulicht ist, befindet sie sich auch ausserhalb der Luftströmung durch den Ansaugkanal 144. Ein C-förmiges Stellglied 162 befindet sich hinter der Platte 150 und hinter der Platte 160 in einer zum Verdichterrad 142 konzentrischen C-förmigen Führungsnut 164. Jede der Platten 150 und 160 hat eine Hinterkante, 166 bzw. 168, in direkter Nachbarschaft zu den Enden des C-förmigen Stellgliedes 162. Die Trennwand 154 ist im Querschnitt in der Mitte des Kanals 144 zu sehen.
Um die durch den Ansaugkanal 144 strömende Luft so abzulenken, das Vordrall am Verdichtereinlass erzeugt wird, wie am besten in 22 zu sehen, wird das C-förmige Stellglied 162 im Uhrzeigersinn, wie in 22 gesehen, durch die Führungsnut 164 in den Ansaugkanal 144 hineingedreht, wodurch die Hinterkante 166 der Platte 150 in den Kanal 144 hinein und quer über ihn hinweg gedrückt wird und die Platte 150 veranlasst wird, eine gekrümmte Ablenkplatte zu bilden, die Luft quer zum Kanal 144 ablenkt und einen positiven Vordrall am Einlass des Verdichters 140 erzeugt. Um die durch den Ansaugkanal 144 strömende Luft so abzulenken, dass ein negativer Vordrall erzeugt wird, wie am besten aus 23 zu ersehen, kann das C-förmige Stellglied 162 im Gegenuhrzeigersinn durch die Führungsnut 164 in den Ansaugkanal 144 hinein gedreht werden, wodurch die Hinterkante 168 der Platte 160 in den Kanal 144 hineingedrückt und die Platte 160 veranlasst wird, eine gekrümmte Ablenkplatte zu bilden, die Luft quer zum Kanal 144 in einer Richtung ablenkt, die der der Platte 150 entgegengesetzt ist, wodurch ein negativer Vordrall am Einlass zum Verdichter 140 erzeugt wird.
Während die Kombination des C-förmigen Stellgliedes 162 mit den verformbaren Platten 150 und 160 den bevorzugten Aufbau bildet, um die gewünschte Vordrallströmung in dieser Auführungsform der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, versteht es sich, dass allein das C-förmige Stellglied 162 oder allein die Platte 150 oder 160 zusammen mit einem anderen Stellglied verwendet werden könnten, um eine erwünschte Vordrallströmung zu erzeugen. Wiederum auf 22 und 23 Bezug nehmend, trägt die Innenseite 170 des C-förmigen Stellgliedes 162 dazu bei, eine kreisförmige Kammer 172 direkt an den Verdichtereinlass 148 angrenzend zu bilden, wenn das C-förmige Stellglied in den Ansaugkanal 144 ausgefahren wird. Diese kreisförmige Kammer 172 begünstigt eine glatte Vordrallströmung zum Verdichter 140. Wäre eine der verformbaren Platten 150 oder 160 nicht vorhanden, so würde das C-förmige Stellglied 162 immer noch die durch den Ansaugkanal 144 strömende Luft ablenken und einen positiven oder negativen Vordrall am Einlass 148 schaffen. Ein Bereich von turbulenter oder stagnierender Luftströmung, d.h. eine „tote Zone", würde aber in dem allgemein dreieckigen Bereich 174 oder 176 entstehen, der durch die Wandung des Ansaugkanals 144, die Aussenseite des C-förmigen Stellgliedes 162 und den Ort gebildet wird, wo die abgelenkten Platten 150 bzw. 160 sich befänden, wären sie vorhanden. Während diese Anordnung funktionieren würde, um die erwünschte Vordrallströmung zum Verdichter 140 zu schaffen, so wären aber die toten Bereiche 174 und 176 für eine glatte Strömung im Ansaugkanal 144 störend und gestatteten keine optimale Arbeit des Vordrallgenerators.
Das C-förmige Stellglied 162 ist in grösseren Einzelheiten in 24 zu sehen und besteht aus einer Welle 178, um das Stellglied zu drehen, einer Basisplatte 180 sowie einem Stellflügel 182, der so geformt ist, dass er im Kanal 164 bewegt werden kann und zwei breite Betätigungskanten 184 und 186 besitzt, mit denen er die Platten 150 und 160 kontaktiert und in den Kanal 144 hinein verbiegt.
Unter bestimmten Umständen kann es erwünscht sein, einen Vordrallfluss in nur einer Richtung erzeugen zu können. Zum Beispiel stellt für manche Verdichter die Erzeugung eines negativen Vordralls bei hoher Geschwindigkeit nur einen minimalen Vorteil dar. Ferner sind in vielen Automobilanwendungen niedrige Kosten die vorrangige Überlegung, und während der Nutzen einer Leistungsverbesserung bei niedriger Geschwindigkeit wertvoll ist, mag der Nutzen einer kleinen Verbesserung bei hoher Geschwindigkeit die zusätzlichen Kosten nicht wert sein. In diesen Anwendungen mag es wünschenswert sein, einen billigen Vordrallgenerator zur Verfügung zu stellen, der Vordrall in nur einer Richtung erzeugen kann, gewöhnlich in der positiven Richtung.
Zu diesem Zweck wird, wie in 25 und 26 gezeigt, ein Vordrallgenerator 180 gezeigt, der der Ausführungsform der 21 bis 23 ähnlich ist, aber nur eine einzige verformbare Platte 190 besitzt. In diesem Beispiel ist der Vordrallgenerator 188 mit einem abgewandelten C-förmigen Stellglied 192 versehen, das nur auf der einen Seite des Stellgliedes 192 einen Flügel besitzt und sich in einer Führungsnut 194 bewegt, die sich nur halb um das Verdichterrad 142 herum erstreckt. Aus 26 ist ersichtlich, dass das C-förmige Stellglied 192, wenn im Uhrzeigersinne gedreht, die Platte 190 quer über den Kanal 144 ablenkt, um einen positiven Vordrall am Verdichtereinlass 148 zu erzeugen.
Wie oben gesagt, könnte die verformbare Platte 190 unter Verwendung eines anderen Stellgliedes in ähnlicher Weise verwendet werden, um eine gewünschte Vordrallbewegung in der in den Verdichter 140 eintretenden Luft zu erzeugen. In der in 27 und 28 gezeigten alternativen Form eines Stellgliedes ist ein Bruchteil des Ansaugkanals 144 zu sehen, wo eine einzelne verformbare Platte 196 an einer Seite des Kanals 144 angebracht ist. Statt ein C-förmiges Stellglied zu haben, das eine Auslenkung der Platte 196 bewirkt, ist ein gewölbtes ablenkendes Stellglied 198 so angeordnet, dass es durch eine Öffnung 200 in der Wand des Kanals 144 in Nachbarschaft zur Hinterkante 202 der Platte 196 hindurchgeht. Das ablenkende Stellglied 198 wird am Ende eines Schwenkarmes 204 gehalten, der an seinem anderen Ende starr an einer Welle 206 befestigt ist und als Reaktion auf deren Drehung geschwenkt wird. Wenn sich der Schwenkarm 204 und das Stellglied 198 in der in 27 gezeigten Stellung befinden, liegt die Platte 196 flach an der Wand des Kanals 144 an, und die durch den Kanal strömende Luft wird nicht abgelenkt. Wenn die Welle 206 geringfügig im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, bewegt sich das gewölbte Stellglied 198 in den Kanal 144 hinein und lenkt die Platte 196 in den durch den Kanal 144 hindurchgehenden Luftstrom ab, wie in 28 gezeigt. Obwohl dieser Aufbau den Vorteil besitzt, äusserst einfach und leicht zu sein, und die Betätigung des Stellgliedes die Wirkung hat, eine gewünsche Vordrallströmung zum (nicht gezeigten) Verdichter zu erzeugen, hat dieser Aufbau jedoch den Nachteil, dass er dazu neigt, einen toten Bereich 208 von stagnanter Luft hinter der Platte 196 zu erzeugen.
Um dieses Problem zu überwinden, können alternative Stellglieder verwendet werden. Eine alternative Form eines Stellgliedes und einer Ablenkplatte zur Verwendung im Ansaugkanal 144 ist in 29 und 30 veranschaulicht. In diesem Beispiel ist eine biegsame Membran 210 so angebracht, dass sie zu einem Teil der Wandung des Ansaugkanals 144 wird. Bevorzugtermassen wird eine zweite biegsame Membran 212 an der gegenüberliegenden Wandung des Kanals 144 gegenüber der ersten Membran 210 angebracht. Die Membranen 210 und 212 können aus einem beliebigen biegsamen Material wie Gummi oder einem synthetischen Kautschuk wie Neopren bestehen. Ein schwenkbares Stellglied 214 ist ausserhalb des Kanals 144 angeordnet und kann zur Membran 210 hin und in sie hinein gedreht werden, wodurch die Membran 210 in den Kanal 144 hineingedrückt wird, um zum Verdichter hindurchgehende Luft abzulenken. Bevorzugtermassen hat das Stellglied 214 eine Spitze 216, die bei voller Drehung in den Kanal 144 hinein ungefähr an der Mitte der Membran 210 anliegt und die Mitte der Membran 210 in den Kanal 144 drückt. Wenn das Stellglied 214 von der Membran 210 weg gedreht wird, wie in 30 gezeigt, bewirkt die elastische Erinnerung der Membran 210, die gleiche Form wie die Wandung des Kanals 144 anzunehmen, wobei die durch den Kanal 144 hindurchgehende Luft nicht abgelenkt wird. Wenn das Stellglied in seine in 29 gezeigte Position bewegt wird, in der es die Membran auslenkt, wird die Membran 210, wie oben bemerkt, in den Kanal 144 hinein ausgelenkt.
Wenn gewünscht, kann ein ähnliches Stellglied 218 mit einer Spitze 220 in der gleichen Weise in betätigender Verbindung mit der zweiten Membran 212 montiert werden. Durch selektive Drehung des einen oder anderen der Stellglieder 214 und 216 (oder keines der beiden) kann ein Vordrallfluss zum Verdichter in der positiven, neutralen oder negativen Richtung erzeugt werden. Ausserdem können, wie in 29 und 30 zu sehen, die strömungsabwärts gelegenen Abschnitte 222 und 224 der Membranen 210 und 212 – sofern entweder die Membran 210 oder die Membran 212 in den Ansaugkanal 144 hinein ausgelenkt ist – dazu beitragen, einen Teil einer Vordrallkammer 226 zu bilden, die einer Vordrallströmung in Nachbarschaft zum Einlass 148 in den Verdichter 140 förderlich ist. Die strömungsabwärts gelegenen Abschnitte 222 und 224 der Membranen 210 und 212 grenzen nämlich einen Raum aus, der andernfalls ein toter Bereich hinter den Ablenkplatten geworden wäre, die durch die Membranen 210 und 212 gebildet werden.
Noch eine weitere Form eines Stellgliedes und einer Ablenkplatte zur Verwendung im Ansaugkanal 144 wird in 31, 32 und 33 gezeigt. In dieser Form von Stellglied und Ablenkplatte wird eine obere verformbare Platte 228 so an der Innenwand des Kanals 144 befestigt, dass sie sich in ihrer unausgelenkten Position nicht in die Luftströmung im Kanal hinein erstreckt. Eine untere Platte 230 ist durch ein Scharnier 232 mit der oberen Platte 228 verbunden. Das untere Ende der unteren Platte 230 ist durch einen Stift 234, der in einem Schlitz 236 in der Wand des Kanals 144 aufgenommen ist, verschiebbar an der Wand des Kanals 144 befestigt. Ein gewölbtes, auslenkendes Stellglied 238, das dem in 27 und 28 gezeigten Stellglied 198 ähnlich ist, ist ausserhalb des Kanals 144 angeordnet und in der Lage, sich durch die Wand des Kanals 144 hindurch zu erstrecken und mit dem Scharnier 232 in Berührung zu kommen. Wenn das Stellglied in den Kanal 144 hineingedreht wird, indem ein Mechanismus verwendet wird, der dem zusammen mit dem Stellglied 198 verwendeten ähnlich ist, wird die obere Platte 228 in den Kanal 144 hinein ausgelenkt und bewirkt eine Ablenkung der durch den Kanal hindurchgehenden Luft. Wie am besten in 32 zu sehen ist, dreht sich das obere Ende der unteren Platte 230 um das Scharnier 232, während die obere Platte 228 in den Kanal 144 hinein ausgelenkt wird, und das untere Ende der Platte 230 bewegt sich der Wand des Kanals 144 entlang aufwärts, indem es durch Eingreifen des Stiftes 234 in den Schlitz 236 am Schlitz 236 entlang geführt wird. Durch diese Anordnung trägt die untere Platte 230 dazu bei, angrenzend an den Einlass 148 des Verdichters 140 eine Vordrallkammer 240 zu schaffen, wenn sich die obere Platte 228 in ihrer die Luft ablenkenden Stellung im Kanal 144 befindet. Die untere Platte 230 trägt also dazu bei, eine glatte Vordrallzirkulation in der Kammer 240 zu schaffen, indem ein Raum ausgegrenzt wird, der andernfalls ein toter Bereich hinter der ablenkenden oberen Platte 228 gewesen wäre, der eine Störung des glatten Vordrallflusses in der Kammer 240 bewirkt hätte.
In der bevorzugten Form dieses letzten Stellgliedes und dieser letzten Ablenkplatte ist ein zweiter Satz einer oberen und unteren Platte 242 und 244 auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals 144 angeordnet. Ein Scharnier 246 verbindet die obere und untere Platte 242 und 244, und das untere Ende der unteren Platte ist durch einen in einem Schlitz 250 aufgenommenen Stift 248 gleitend an der Wand des Kanals 144 befestigt. Ein gewölbtes Stellglied 242 ist so ausgelegt, dass es am Scharnier 246 angreift, um die zweite obere Platte 242 in den Kanal 144 hinein auszulenken. Dieser zweite Satz einer oberen und unteren Platte 242 und 244 und ihr Stellglied 252 funktionieren in der gleichen Weise wie oben bezüglich der Platten 228 und 230 ausgeführt. Wenn nämlich das Stellglied 238 aus dem Kanal 144 zurückgezogen und das zweite Stellglied 252 in den Kanal 144 hineingedreht worden ist, wie in 33 gezeigt, dann wird Luft so abgelenkt, dass sie einen Vordrall in einer Richtung bildet, die derjenigen entgegengesetzt ist, die sich ergibt, wenn das erste Stellglied 238 allein ausgefahren wird, wie in 32 gezeigt.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 34, 35 und 36 gezeigt wird, enthält der zum Verdichtereinlass 256 führende Ansaugkanal 254 eine Trennwand 258 und ist exzentrisch zum Verdichtereinlass 256 angeordnet. In dem in 34 veranschaulichten Fall ist der exzentrische Einlasskanal 254 so positioniert, dass die Luft einen Wirbel im Gegenuhrzeigersinn bilden würde, wenn Luft frei von jeglicher ablenkender Schaufel durch den Kanal 254 zugeführt wird. Im veranschaulichten Beispiel wäre dies ein negativer Vordrallwirbel, da sich das Verdichterrad 260 im Uhrzeigersinn dreht, wie in 34 gesehen. Dieser Wirbel im Gegenuhrzeigersinn erzeugt einen verhältnismässig schwachen negativen Vordrall, weil die hereinkommende Luft nicht stark ausgerichtet ist, aber bietet den Vorteil einer unbehinderten Strömung durch den Kanal 254, und wie oben erörtert, ist unter Bedingungen einer hohen Geschwindigkeit und eines hohen Durchflusses ein verhältnismässig schwacher Vordrall annehmbar.
Wie in der in 25 und 26 gezeigten Ausführungsform weist diese Ausführungsform der Erfindung eine einzelne verformbare Schaufel 262 an einer Stelle entlang der Wand des Ansaugkanals 254 auf, die am weitesten von der Mitte des Verdichterrades 260 entfernt ist. Wenn sich die Schaufel 262 in ihrer unausgelenkten Stellung befindet, wie in 34 gezeigt, bildet die zugeführte Luft einen Wirbel bzw. negativen Vordrall, wie oben beschrieben. Auch diese Ausführungsform hat, wie in der in 25 und 26 veranschaulichten Ausführungsform gezeigt, ein C-förmiges Stellglied 264, das sich durch eine C-förmige Führungsnut 266 bewegt, die zum Verdichterrad 260 konzentrisch ist. Wenn die Schaufel 262, wie in 35 gezeigt, teilweise ausgelenkt ist, dann ist der Vordrallwirbel im Wesentlichen unterdrückt, wodurch jeglicher Vordrall am Verdichtereinlass 256 eliminiert ist. Wenn die Schaufel 262 weiter ausgelenkt wird, wie in 36 gezeigt, erzeugt sie in der hereinkommenden Luft eine starke Vordrallbewegung in einer Richtung, die der des vorherigen unausgelenkten Wirbels entgegengesetzt ist, bzw. in diesem Beispiel einen positiven Vordrall.
Wie in 1 gezeigt, sind die Laschen 52 in eine Vertiefung oder Rille in der Aussenhülle 50 des Kanals 34 eingesetzt. Es ist ebenfalls erwähnt worden, dass diese Aussenhülle 50, die Schaufeln 46 und die Verkleidung 48 als eine einheitliche Schaufelträgergrupe 32 ausgebildet sein können, damit die Vordrallgeneratorgruppe 26 leicht und billig zusammengebaut werden kann. 37 zeigt eine bevorzugte Realisierung dieses Konzepts.
Zu diesem Zweck kann ein äusserer Befestigungsring 265 (sowie die angefügte Lasche 52, wenn gewünscht) vorgesehen werden, der in die oben erwähnte Nut einzusetzen ist, in die auch die Laschen 52 der Vorderkante eingesetzt werden. An der radial innen gelegenen Seite der Schaufeln kann ein innerer Befestigungsring 266 vorhanden sein (im grösseren Massstab in 39 zu sehen, wo sein Aussenumfang in strichpunktierten Linien angedeutet ist), der über eine innere Lasche 267 mit den Schaufeln 46 verbunden ist. Eine ähnliche Lasche ist in 1 zu sehen und greift in eine Vertiefung oder Nut der Verkleidung 48 ein. Diese Nut der Verkleidung 48 kann gemäss der Ausführungsform der 37 zumindest den inneren Befestigungsring 266 sowie, wenn gewünscht, die angefügte innere Lasche 267 aufnehmen. Es ist günstig, wenn ein verbindender Abschnitt 269 die Lasche 267 und den inneren Ring 266 miteinander verbindet, um die Verbiegung zu erleichtern.
Wenn gewünscht wird, den äusseren Befestigungsring 265 anders als durch Einsetzen in eine Zentriernut zu halten und zu zentrieren, könnte er durch Schrauben oder Bolzen, die durch Löcher 270 im äusseren Befestigungsring führen, an der Hülle 50 befestigt werden, d.h. in einem radialen Schlitz der Hülle 50. Alternativ, wenn auch nicht bevorzugt, können statt der Löcher 270 Bolzen vorgesehen werden, die in entsprechende Löcher der Hülle 50 eingesetzt werden. Weiter ist aus 37 ersichtlich, dass die Löcher 270 in einer nach innen vorgestreckten Lasche 271 des äusseren Befestigungsringes 265 ausgebildet sind, obwohl es im Prinzip auch möglich wäre, diese Löcher direkt im Ring 165 auszubilden, ohne solche Laschen 271 vorzusehen. In letzterem Falle wäre aber die Festigkeit des Befestigungsringes 265 verringert, weshalb bevorzugt wird, Laschen 271 vorzusehen. Ausserdem ist die Erfindung nicht auf nach innen vorgestreckte Laschen 271 beschränkt, vielmehr könnten auch Laschen verwendet werden, die sich vom Ring 265 nach aussen vorstrecken. Nach innen vorgestreckte Laschen werden aber bevorzugt, weil bei ihrer Verwendung weniger Abfall entsteht und weniger Material für eine Einheit 32' erforderlich ist. Prinzipiell könnten die Löcher 270 durch Einschnitte oder andere Vertiefungen, die mit entsprechenden axialen Vorsprüngen der Hülle 50 zusammenwirken, ersetzt werden. Jedenfalls halten solche axialen Vertiefungen und Vorsprünge den Ring 265 gegen jegliche Neigung zu einer Drehung fest.
Es wurde erwähnt, dass die Löcher 270 dazu dienen könnten, Bolzen zur Befestigung der Schaufeln aufzunehmen. Dies erfordert Arbeit, um Bohrungen mit Gewinde vorzusehen und die Bolzen in diese Bohrungen einzuschrauben, um den Ring 265 zu befestigen. Dies kann mit weniger Arbeit erreicht werden, wenn der Ring 265, nachdem er zum Beispiel in die Hülle 50 eingesetzt worden ist, einfach durch Einspritzen von Kunststoff um ihn herum vergossen wird. In diesem Falle sind nicht nur die Löcher 270 geeignet, sondern auch die Löcher 52' in den Laschen 52, da sie es gewährleisten, dass der Kunststoff in sie eindringt und eine bessere und positive Verbindung zustande kommt. Desgleichen können auch die Laschen 267 Löcher 272 enthalten (39).
Der Vorteil eines Aufbaus nach 37 bis 39 besteht darin, dass die Schaufeln 46, ihre inneren und äusseren Laschen 52 und 267 sowie der äussere und innere Befestigungsring 265 und 266 (oder wenigstens einer dieser Ringe) integral als eine einheitliche Gruppe 32' gestaltet werden können. Die Herstellung kann durch Laserschneiden (bevorzugt) und/oder durch Stanzen erfolgen, was eine kostengünstige Herstellungsweise gewährleistet. Aus 37 ist ersichtlich, dass die radial aussen gelegenen Laschen 52 am äusseren Befestigungsring 265 bevorzugt durch einen etwa L-förmigen Verbindungsabschnitt 268 befestigt werden, was eine erhöhte Biegsamkeit der Schaufeln 46 bezüglich des Befestigungsringes 265 gewährleistet. Obwohl verschiedene Materialien verwendet werden können, um eine solche Gruppe 32' herzustellen, wird bevorzugt, sie aus Metallblech herzustellen. Es wäre aber auch möglich, wenigsten einen der Ringe 265, 266 aus Kunststoff herzustellen und die Laschen oder Verbindungs[abschnitte] in dieses Kunststoffmaterial einzugiessen. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen aber alle in 37 gezeigten Teile aus Metallblech.
Sobald die flache Gruppe 32' der 37 hergestellt worden ist, können die Hinterkanten der Schaufeln einschliesslich der hinteren Lasche 64 leicht aus der Ebene der 37 heraus und zurück gebogen werden, wie in 38 gezeigt. Die Funktion der L-förmigen Verbindungsabschnitte 268, die das Biegen erleichtern, lässt sich deutlich aus dieser Figur erkennen. Daher lässt sich auch verstehen, dass ein ähnlicher Verbindungsabschnitt vorgesehen werden könnte, um die inneren Laschen 267 mit dem inneren Ring 266 zu verbinden, obwohl dies im allgemeinen nicht notwendig sein wird. Wie aus 37 ersichtlich, sind die Verbindungsabschnitte oder Stege 268 und 269 kleiner als die Laschen 52 und 267. Alternativ könnten die Befestigungselemente lediglich aus den radial vorspringenden Verbindungsabschnitten 268 oder 269 bestehen, um ohne die Befestigungsringe 265 und/oder 266 direkt entweder mit der Hülle 50 und/oder mit der Verkleidung 48 verbunden zu werden (zum Beispiel, indem diese Abschnitte in entsprechene Löcher eingesetzt werden). Für den Fachmann dürfte es aber klar sein, dass Befestigungsringe einen stabileren Aufbau ermöglichen.
Aus dem oben gesagten ist klar, dass sich die Erfindung auch auf ein Herstellungsverfahren für eine Vordrallanordnung bezieht, das daraus besteht, das Profil der Schaufeln 46 zusammen mit zumindest einem der Verbindungsringe 265 und/oder 266 durch Laserschneiden und/oder Stanzen aus Folienmaterial, bevorzugt Metallblech, auszuschneiden und anschliessend die Schaufeln 46 aus der Ebene des geschnittenen Folienmaterials herauszubiegen, bevorzugt in der Weise und mit den Details, die oben erwähnt wurden.
Mit der Anordnung gemäss vorliegender Erfindung wird ein äusserst einfacher und leichter Mechanismus zur Verfügung gestellt, der eine volle Steuerung der Strömung der einem Radialverdichter zugeführten Luft ermöglicht, um einen positiven, einen negativen oder keinen Vordrall zu erzeugen, wie vom Motorbetrieb verlangt. Dies wird mit einer minimalen Zahl bewegter Teile erreicht, wodurch der Vordrallgenerator der vorliegenden Erfindung billig in der Herstellung und zuverlässig sowie dauerhaft im Betrieb wird. Es ist klar, dass diese Erfindung auch ein Verfahren zur Bildung der Vordrallanordnung durch Laserschneiden und/oder Stanzen umfasst, wie oben beschrieben.
Verschiedene Abwandlungen und Veränderungen können durch Fachleute mit normaler Fertigkeit vorgenommen werden, ohne vom Geist und der Reichweite dieser Erfindung abzuweichen. Daher ist zu verstehen, dass die veranschaulichten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur vorgestellt worden sind, um als Beispiel zu dienen, und sollten nicht als die Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert wird, einschränkend angenommen werden.
Die Wörter, die in dieser Beschreibung verwendet wurden, um die vorliegende Erfindung darzustellen, sind nicht nur im Sinne ihrer gemeinhin definierten Bedeutungen zu verstehen, sondern so, dass sie durch spezielle Definition Strukturen, Material oder Vorgänge jenseits des Rahmens ihrer gemeinhin definierten Bedeutung einschliessen. Die Definitionen der Wörter oder Elemente in den folgenden Ansprüchen sind daher in dieser Beschreibung so definiert, dass sie nicht nur die Kombination von Elementen einschliessen, die buchstäblich vorgestellt werden, sondern auch alle gleichwertigen Strukturen, Materialien oder Handlungen, um im Wesentlichen die gleiche Funktion in im Wesentlichen gleicher Weise zu erfüllen und im Wesentlichen das gleiche Ergebnis zu erzielen.
Zum Beispiel könnte statt einer feststehenden Vordrallanordnung eine bewegte Anordnung wie eine sich drehende verwendet werden. Eine solche bewegte Vordrallanordnung könnte eine zweiteilige Verkleidung umfassen, deren beide Teile ineinander geschraubt sind, wobei an einem der Verkleidungsteile die hinteren Enden der Schaufeln befestigt sind. So könnten sich die Schaufeln 46 zusammen mit der Verkleidung 48 drehen (zum Beispiel unter dem Einfluss der Luftströmung), aber wenn einer der beiden Teile abgebremst wird, schrauben sich die beiden Teile entweder ineinander oder auseinander, wodurch die Stellung der Schaufeln eingestellt wird. Eine alternative bewegte Anordnung könnte in ähnlicher Weise wie bei Rasensprinklern gebildet werden, wo eine bewegbare Oberfläche den Wasserstrahl diskontinuierlich stört.
Zusätzlich zu den Entsprechungen der beanspruchten Elemente wird definiert, dass offensichtliche, dem Durchschnittsfachmann jetzt oder künftig bekannte Substitutionen in den Bereich der Ansprüche fallen. Zum Beispiel wäre es vorstellbar, die Hinterkanten der Schaufeln festzuhalten, während die Vorderkanten verschoben und gedreht werden, obwohl dies im Allgemeinen nicht bevorzugt wird.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Vordralls der Zuluft am Einlass (18) eines Verdichters (12–22), umfassend ein Gehäuse (28) für die Vordrallerzeugungsvorrichtung (26), wobei das Gehäuse (28) an den Einlass (18) des Verdichters (12–22) angrenzend anmontiert ist und einen Ansaugkanal (34) für die Zuluft in Verbindung mit und hinführend zum Einlass (18) bildet; eine im Kanal (34) angeordnete verformbare Luftablenkschaufel (46) mit einer Vorderkante (60) und einer Hinterkante (62), wobei die Vorderkante (60) im Kanal (34) fixiert ist, während die Hinterkante (62) frei ist, bezüglich des Kanals (34) ausgelenkt zu werden, um durch den Kanal (34) hindurchgehende Luft abzulenken; und Mittel zur selektiven Auslenkung der Hinterkante (62) der Schaufel (46), damit die Schaufel (46) durch den Kanal (34) hindurchgehende Luft ablenkt, um am Einlass (18) des Verdichters (12–22) einen Vordrallfluss entweder in einer positiven, einer neutralen oder einer negativen Richtung zu erzeugen, wobei der Verdichter (18) ein Radialverdichter (12–22) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Auslenkung der Schaufel (46) ein ringförmiger Bügel (30) innerhalb des Gehäuses (28) sind, so angeordnet, dass sie sich in einer Ebene senkrecht zur Richtung der durch den Kanal (34) hindurchgehenden Luft um den Kanal (34) drehen, wobei der Bügel (30) mit der Hinterkante (62) der Schaufel (46) in Berührung steht, um auf eine Drehung des Bügels (30) um den Kanal (34) ansprechend die Hinterkante (62) der Schaufel (46) mechanisch entweder in einer positiven oder in einer negativen Vordrallrichtung auzzulenken, wobei der Bügel (30) die Hinterkante (62) der Schaufel (46) an einer Berührungsfläche nahe der radial aussen gelegenen Ecke der Hinterkante (62) der Schaufel (46) berührt und diese Berührungsfläche eine Lasche ist, die sich von der radial aussen gelegenen Ecke der Hinterkante (62) der Schaufel (46) weg erstreckt und Mittel einschliesst, um den Schlitz (66) in einer Weise zu berühren, dass die Hinterkante (62) der Schaufel (46) so gesteuert werden kann, dass eine Auslenkung der Schaufel (46) bewirkt wird, während eine Verdrehung der Lasche im Schlitz (66) ermöglicht wird, um die Auslenkung der Schaufel (46) aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (46) in ihrer nicht ausgelenkten Lage mit der normalen Strömung durch den Kanal (34) ausgefluchtet ist und die durch den Kanal (34) fliessende Luft nicht ablenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (62) der Schaufel (46) in einer ersten Richtung ausgelenkt werden kann, um den positiven Vordrallfluss zu erzeugen, oder in einer zweiten Richtung, um den negativen Vordrallfluss zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (62) der Schaufel (46) zur Versteifung verstärkt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (62) in einem Bereich grösserer Dicke der Schaufel (46) entlang der Hinterkante (62).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (62) eine Kröpfung entlang der Hinterkante (62) besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (46) in ihrer natürlichen, nicht ausgelenkten Lage mit der normalen Strömung durch den Kanal (34) ausgefluchtet ist und durch den Kanal (34) fliessende Luft nicht ablenkt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterkante (62) der Schaufel (46) in einer ersten Richtung ausgelenkt werden kann, um den positiven Vordrallfluss zu erzeugen, oder in einer zweiten Richtung, um den negativen Vordrallfluss zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berührungsfläche in einen allgemein axial ausgerichteten Schlitz (66) im Bügel (30) aufgenommen wird, wobei nach Drehung des Bügels (30) in einer ersten, positiven Richtung um den Kanal (34) die Schaufel (46) in eine Lage ausgelenkt wird, in der durch den Kanal (34) fliessende Luft in einen positiven Vordrallfluss am Einlass (18) abgelenkt wird, und nach Drehung des Bügels (30) in einer zweiten, negativen Richtung um den Kanal (34) die Schaufel (46) in eine Lage ausgelenkt wird, in der durch den Kanal (34) fliessende Luft in einen negativen Vordrallfluss am Einlass (18) abgelenkt wird.