WO2005071243A1 - Verdichter im ansaugtrakt einer brennkraftmaschine - Google Patents

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WO2005071243A1
WO2005071243A1 PCT/EP2004/014702 EP2004014702W WO2005071243A1 WO 2005071243 A1 WO2005071243 A1 WO 2005071243A1 EP 2004014702 W EP2004014702 W EP 2004014702W WO 2005071243 A1 WO2005071243 A1 WO 2005071243A1
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compressor
axial
air opening
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compressor according
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PCT/EP2004/014702
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Inventor
Helmut Finger
Peter Fledersbacher
Paul Löffler
Klaus Rössler
Siegfried Sumser
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12—Control of the pumps
    • F02B37/22—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits
    • F02B37/225—Control of the pumps by varying cross-section of exhaust passages or air passages, e.g. by throttling turbine inlets or outlets or by varying effective number of guide conduits air passages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/143—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path the shiftable member being a wall, or part thereof of a radial diffuser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas- turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention is based on a compressor in the intake tract of an internal combustion engine, with a compressor wheel rotatably mounted in an axial compressor inlet duct, with which combustion air supplied from a combustion air duct can be compressed to an increased boost pressure by at least one axial air opening adjustable in the flow cross section and arranged upstream of the compressor wheel in the axial compressor inlet duct and with an additional channel that opens radially upstream of the compressor wheel into the compressor inlet channel, in the mouth area of which there is at least one radial air opening that can be adjusted in the flow cross section in order to drive the compressor wheel by supplying combustion air, the flow cross sections of the axial air opening and the radial air opening being adjustable by means of adjustable locking elements which can be actuated by at least one actuator are adjustable, according to the preamble of claim 1.
  • Such a compressor is described in the previously unpublished DE 102 527 67.9, which is arranged as part of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine in its intake tract.
  • the exhaust gas turbocharger further comprises an exhaust gas turbine which is driven by exhaust gases drives the compressor.
  • the compressor compresses intake combustion air to an increased boost pressure and has a rotatably mounted compressor wheel in the axial compressor inlet duct, which compresses axially supplied combustion air to an increased pressure.
  • the separately formed additional duct runs parallel to the compressor inlet duct in the compressor housing and opens radially into the compressor inlet duct at the level of the compressor wheel.
  • Combustion air can also be supplied via the additional duct, which strikes the wheel blades of the compressor wheel and thereby sets the compressor wheel with a driving angular momentum, which ensures an increased speed level of the supercharger, in particular in operating states of the internal combustion engine with low load and speed.
  • An adjustable piston is located upstream of the compressor wheel in the region of a branch of a supply line to the compressor inlet duct and the additional duct as an actuator, by means of which the respective air mass flows into the axial compressor inlet duct or the additional duct can be controlled.
  • a single actuator is sufficient for the compressor to adjust both the piston in the compressor inlet channel and the swirl device in the mouth area of the additional channel into the compressor inlet channel, depending on the current load and operating state of the internal combustion engine.
  • the setting is made in that the piston in the compressor inlet duct acts on the swirl device in the mouth area from the additional duct to the compressor inlet duct in a defined movement phase, as a result of which the actuating movement of the piston is transmitted to the swirl device and this is adjusted.
  • the piston thus takes on the additional function of an actuator for the swirl device. There is no need for another actuator.
  • two separate blocking elements can be actuated in the compressor, which is basically This enables the setting of the piston in the compressor inlet duct and the setting of the swirl device in the mouth region of the additional duct to take place in different load and operating states, to which different adjusting movements of the piston are assigned.
  • the setting of the swirl device preferably takes place at low loads of the internal combustion engine, at which a vacuum must normally prevail in the intake duct, which can be achieved by a so-called cold-air turbine operation, in which the combustion air is expediently conducted exclusively via the additional duct and with a swirl on it Compressor wheel hits, which thereby experiences a spin.
  • the piston in the compressor inlet duct is opened more or less so that the combustion air is fed directly axially through the compressor inlet duct to the compressor wheel, which in this operating mode is actuated by a separate drive, in particular by the exhaust gas turbine, which is in the exhaust line the internal combustion engine can be arranged and operated by the pressurized exhaust gases of the internal combustion engine.
  • the object of the present invention is to further develop a compressor of the type mentioned at the outset in such a way that emergency operation is also possible with an actuator which has been put out of operation due to a defect.
  • an actuating device is additionally provided, by means of which the blocking elements can be automatically brought into a position when the actuator is out of operation or set, in which a defined flow cross section of the axial air opening and / or the radial air opening is present.
  • This defined flow cross section also allows emergency air operation of the internal combustion engine when the actuator is deactivated, for example as a result of a fault in its control.
  • This defined flow cross-section also occurs when the internal combustion engine is at a standstill and then serves as the starting point for the control when the internal combustion engine starts.
  • the defined flow cross section is particularly preferably present when the axial air opening is completely closed and the radial air opening has an emergency air flow cross section.
  • the turbine can then continue to be operated in emergency air or cold air turbine operation, in which the combustion air is conducted exclusively via the additional duct and impinges on the compressor wheel with a swirl, which thereby experiences a rotational acceleration.
  • the actuating device contains spring elements acting on the blocking members and / or the actuator.
  • spring elements are inexpensive components and can also be easily retrofitted into existing compressors.
  • These spring elements are designed, for example, such that when the emergency air flow cross-section of the radial air opening, there is a balance of forces, the spring elements being designed such that they overcome the friction of the actuator and / or the blocking elements in their guides and can thereby set the emergency air flow cross section in emergency air operation. Then no further drive source needs to be present in order to put the actuator and / or the blocking elements into emergency air operation.
  • Fig.l is a schematic sectional view of a preferred embodiment of a compressor according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the compressor of FIG. 1 in emergency air mode
  • the compressor 1 shown in FIG. 1 is used in particular in internal combustion engines and is expediently part of an exhaust gas turbocharger in which the exhaust gas turbine arranged in the exhaust line drives the compressor wheel 2 in the compressor housing 22 via a shaft 4, which is rotatably mounted in a compressor inlet duct 5.
  • the one Combustion air upstream which is arranged in the compressor housing 22 and passes through an axial air opening 7 into the axial compressor inlet duct 5, is compressed by the rotating compressor wheel blades 3 to an increased boost pressure and radially discharged into a diffuser 13 in the compressor housing 22, from which the compressed combustion air is usually initially in cooled in an intercooler and then passed into the cylinders of the internal combustion engine under boost pressure.
  • the axis of rotation of the compressor wheel 2 is identical to the compressor axis 11, which is also the longitudinal axis of the compressor inlet duct 5.
  • the upstream air collection space 6 is designed as an annular space and has a radial distance from the compressor axis 11.
  • Combustion air flows from the air collection space 6 in the direction of the arrow 8 into the compressor inlet duct 5, is aligned semi-axially and forms an angle with the compressor axis 11.
  • a blocking element 9 is arranged in the compressor inlet duct 5, during its axial movement the cross section of the axial air opening 7 can be shifted between an open position shown in FIG. 1 and a closed position (FIG. 2), in which the axial air opening 7 is completely is blocked and the passage of combustion air from the air collection space 6 into the compressor inlet duct 5 is prevented.
  • the locking member 9 travels an axial travel Si.
  • the locking member 9 is moved axially with the aid of an actuator 12.
  • the axial air opening 7 is formed between the outer contour of the blocking member 9 and an axial slide 14, which can also be moved in the axial direction and an axially extending, but radially outside the compressor inlet duct 5
  • Additional duct 15 separates from the compressor inlet duct.
  • the additional duct 15 also communicates at one end with the air collection space 6 and at the other end opens radially into the compressor inlet duct 5 via a radial air opening 16 at the level of the compressor wheel 2.
  • a swirl grille 17 is arranged in the radial air opening 16, which has, for example, guide vanes distributed over the circumference of the swirl grille 17, which influence the flow pattern of the incident combustion air.
  • Axial slide valve 14 and swirl grille 17 together form a further blocking element, by means of which the flow cross section of the radial air opening 16 can be adjusted between a maximum value shown in FIG. 1 and a smaller emergency air flow cross section, which is illustrated in FIG. 2.
  • the radial air opening 16 can be reduced to a minimum, and can also be completely shut off, if necessary.
  • the flow cross section of the radial air opening 16 is adjusted by an axial displacement of the axial slide 14 in the direction of the arrow 18; the maximum possible travel of the axial slide 14 when transferring the flow cross section of the radial air opening 16 between the maximum value and the minimum value is marked with S 2 in FIG. 1 .
  • the axial slide 14 is displaceably mounted on the compressor housing 22 and is urged into its open position by a preferably prestressed spring element 19. To transfer from the open position shown in FIG. 1 to the emergency air position shown in FIG. 2, the axial slide 14 is counter to the spring force of the spring element 19 postponed; Here, the swirl grid 17 is inserted into an axial receiving opening 20 in the axial slide 14.
  • the locking member 9 is axially adjusted to its closed position, in which the axial air opening 7 of the compressor inlet duct 5 is shut off.
  • the locking member 9 is designed as a locking punch, the outer contour of the locking member 9 touching the outer contour of the axial slide 14 in the locked position, so that the axial air opening 7 is closed.
  • the axial slide 14 is in the position shown in FIG. 2 in a position in which the emergency air flow cross section of the radial air opening 16 is present.
  • the swirl grid 17 is almost completely received in the axial receiving opening 20 in the axial slide 14. Only a relatively small air mass flow can flow through the remaining radial air opening 16, so that the compressor wheel 2 also experiences only a correspondingly small angular momentum.
  • the compressor 1 takes on the function of a cold air turbine, since the combustion air flow supplied via the additional duct 15 drives the compressor wheel 2 due to a pressure gradient and is expanded to a negative pressure downstream of the compressor wheel 2.
  • the axial slide 14 When the locking member 9 is moved in the opposite direction - away from the compressor wheel 2 - the axial slide 14 is first moved into its open position under the influence of the spring element 19, the axial air opening 7 to the compressor inlet duct 5 still remaining closed in this phase. After reaching its open position, which can be secured by a stop 21, the axial air opening 7 to the compressor inlet duct 5 is also opened again when the locking member 9 is moved away from the compressor wheel 2 until the axial air opening 7 is completely open after the travel Si has been covered and the flow cross-section reaches a maximum.
  • the stop 21 which marks the opening position of the axial slide 14, the ratio of the flow cross sections from the axial air opening to the radial air opening can be influenced.
  • an actuating device is additionally provided, by means of which the actuators 9, 14, 17 can be automatically brought into a position when the actuator 12 is out of operation or set, in which a defined flow cross section of the axial air opening 7 and / or the radial air opening 16 is present.
  • the axial air opening 7 should be completely closed and the emergency air flow cross section of the radial air opening 16 according to FIG. 2 should be set, in which the compressor 1 assumes the function of a cold air turbine.
  • the actuating device particularly preferably includes a spring device with spring elements acting on the locking members 9, 14, 17 and the actuator 12, which are designed such that there is a balance of forces in the presence of the emergency air flow cross section of the radial air opening 16.
  • effective stop spring 32 is present from a certain adjustment path, which acts on the axial slide 14 in its open position. As best illustrated in FIG. 1, the stop spring 32 is received on a rod 34 which runs parallel to the compressor axis 11 and projects in the direction of the compressor wheel 2 and which extends from one into the additional duct 15 protruding nose 36 of the axial slide 14 protrudes.
  • the stop spring 32 is supported under prestress between an end face of the nose 36 and a disk 38, which in a direction facing the nose 36, but for example by a stop formed as an annular collar at the end 40 of the rod 34 does not have the end 40 of the rod 34 is axially displaceable on the rod 34.
  • a stop formed as an annular collar at the end 40 of the rod 34 does not have the end 40 of the rod 34 is axially displaceable on the rod 34.
  • the actuator piston 26 is free of forces with respect to the actuator 12, but, due to the spring tension of the actuator spring 30, acts on the locking element 9 into the contact position with the axial slide 14.
  • the spring force is the Actuator spring 30 acting as a compression spring is so large that it overcomes the frictional forces of the guides of the locking members 9, 14, 17 and the counterforce emanating from the spring element 19, so that the axial slide 14 can reach the emergency air position according to FIG. 2, in which the end the stop spring 32 supporting disc 38 abuts the edge of the bore of the blind bore 42.
  • the spring rate of the stop spring 32 is in turn so great that it barely deflects in the state of the equilibrium of forces that is now established, so that the end 40 of the rod 34 protrudes slightly into the blind hole 42 at best.
  • the stop spring 32 forms, together with the disk 38, an overpressable stop for the axial slide 14 which is effective from a certain travel of the axial slide 14 and which stops it in the Holds the flow cross-section assigned position according to Figure 2, which represents the emergency air operation of the compressor 1.
  • the stop in the form of the stop spring 32 can be suppressed because, when the actuator 12 is intact, it can still reduce the flow cross section of the radial air opening 16 beyond the prevailing emergency air flow cross section against the action of the stop spring 32 by actuating the actuator piston 26 to the right, until the flow cross-section through the radial air opening 16 is minimal, for example when idling or almost zero, and for example the end 40 of the rod 34 strikes the rigid bottom of the blind bore 42 in order to prevent further movement.
  • the actuator spring 30, the spring element 19 and the stop spring 32 automatically set a position of the locking member 9 and the axial slide 14 in which a balance of forces there is between the spring forces and the axial air opening 7 is closed and the emergency air flow cross section of the radial air opening 17 necessary for emergency air operation remains open.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (1) im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem axialen Verdichtereinlasskanal (5) drehbar gelagerten Verdichterrad (2), mit weichem aus einem Verbrennungsluftkanal (6) durch wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare und stromauf des Verdichterrades (2) angeordnete Axialluftöffnung (7) in den axialen Verdichtereinlasskanal (5) zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem stromauf des Verdichterrades (2) in den Verdichtereinlasskanal (5) radial einmündenden Zusatzkanal (15), in dessen Mündungsbereich in den Verdichtereinlasskanal (5) wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare Radialluftöffnung (16) angeordnet ist, um durch Zufuhr von Verbrennungsluft das Verdichterrad (2) zu treiben, wobei die Strömungsquerschnitte der Axialluftöffnung (7) und der Radialluftöffnung (16) mittels verstellbarer, durch wenigstens einen Aktuator (12) betätigbare Sperrorgane (9, 14, 17) einstellbar sind. Die Erfindung sieht vor, dass zusätzlich eine Stellein­richtung (19, 30, 32, 34, 38, 42) vorgesehen ist, durch weiche die Sperrorgane (9, 14, 17) bei ausser Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator (12) selbsttätig in eine Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungs­ querschnitt der Axialluftöffnung (7) und/oder der Radialluftöffnung (16) vorhanden ist.

Description

DaimlerChrysler AG
Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verdichter im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem axialen Verdichtereinlasskanal drehbar gelagerten Verdichterrad, mit welchem aus einem Verbrennungsluftkanal durch wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare und stromauf des Verdichterrades angeordnete Axialluftoffnung in den axialen Verdichtereinlasskanal zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem stromauf des Verdichterrades in den Verdichtereinlasskanal radial einmündenden Zusatzkanal, in dessen Mündungsbereich in den Verdichtereinlasskanal wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare Radialluftoffnung angeordnet ist, um durch Zufuhr von Verbrennungsluft das Verdichterrad zu treiben, wobei die Strömungsquerschnitte der Axialluftoffnung und der Radialluftoffnung mittels verstellbarer, durch wenigstens einen Aktuator betätigbare Sperrorgane einstellbar sind, gemäß der Gattung von Anspruch 1.
Ein solcher Verdichter ist in der bisher unveröffentlichten DE 102 527 67.9 beschrieben, der als Bestandteil eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine in deren Ansaugtrakt angeordnet ist. Der Abgasturbolader umfasst weiterhin eine von Abgasen angetriebene Abgasturbine, welche den Verdichter treibt. Der Verdichter verdichtet angesaugte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck und weist in dem axialen Verdichtereinlasskanal ein drehbar gelagertes Verdichterrad auf, welches axial zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Druck verdichtet. Parallel zum Verdichtereinlasskanal verläuft der separat ausgebildete Zusatzkanal im Verdichtergehäuse, der in Höhe des Verdichterrades radial in den Verdichtereinlasskanal einmündet. Über den Zusatzkanal kann ebenfalls Verbrennungsluft zugeführt werden, die unmittelbar auf die Radschaufeln des Verdichterrades auftrifft und dadurch dem Verdichterrad einen antreibenden Drehimpuls versetzt, der insbesondere in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit niedriger Last und Drehzahl für ein erhöhtes Drehzahlniveau des Laders sorgt. Stromauf des Verdichterrades befindet sich im Bereich einer Abzweigung einer Zufuhrleitung zum Verdichtereinlasskanal und dem Zusatzkanal als Stellglied ein einstellbarer Kolben, über den die jeweiligen Luftmassenströme in den axialen Verdichtereinlasskanal bzw. den Zusatzkanal steuerbar sind.
Dem Verdichter genügt ein einziger Aktuator, um in Abhängigkeit des aktuellen Last- und Betriebszustandes der Brennkraftmaschine sowohl den Kolben im Verdichtereinlasskanal als auch die Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals in den Verdichtereinlasskanal zu verstellen. Die Einstellung erfolgt dadurch, dass der Kolben im Verdichtereinlasskanal in einer definierten Bewegungsphase die Dralleinrichtung im Mündungsbereich von Zusatzkanal zum Verdichtereinlasskanal beaufschlagt, wodurch die Stellbewegung des Kolbens auf die Dralleinrichtung übertragen und diese verstellt wird. Der Kolben übernimmt somit die zusätzliche Funktion eines Stellgliedes für die Dralleinrichtung. Auf einen weiteren Aktuator kann verzichtet werden. Mit nur einem Aktuator können beim Verdichter zwei separate Sperrorgane betätigt werden, was grundsätzlich dadurch ermöglicht wird, dass die Einstellung des Kolbens im Verdichtereinlasskanal und die Einstellung der Dralleinrichtung im Mündungsbereich des Zusatzkanals in unterschiedlichen Last- und Betriebszuständen erfolgen, denen unterschiedliche Stellbewegungen des Kolbens zugeordnet werden.
Die Einstellung der Dralleinrichtung findet vorzugsweise bei niedrigen Lasten der Brennkraftmaschine statt, bei denen im Ansaugkanal üblicherweise ein Unterdr ck herrschen muss, was durch einen sogenannten Kaltluftturbinenbetrieb zu realisieren ist, bei dem die Verbrennungsluft zweckmäßig ausschließlich über den Zusatzkanal geleitet wird und unter einem Drall auf das Verdichterrad auftrifft, welches hierdurch eine Drehbeschleunigung erfährt.
Bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine dagegen ist der Kolben im Verdichtereinlasskanal mehr oder weniger weit geöffnet, so dass die Verbrennungsluft unmittelbar axial durch den Verdichtereinlasskanal dem Verdichterrad zugeführt wird, das in dieser Betriebsweise von einem separaten Antrieb betätigt wird, insbesondere von der Abgasturbine, welche im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann und von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine betrieben wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs erwähnten Art derart weiter zu entwickeln, dass ein Notbetrieb auch bei einem aufgrund eines Defekts außer Betrieb gesetzten Aktuator möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteile der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird zusätzlich eine Stelleinrichtung vorgesehen, durch welche die Sperrorgane bei außer Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator selbsttätig in eine Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungsquerschnitt der Axialluftoffnung und/oder der Radialluftoffnung vorhanden ist. Dieser definierte Strömungsquerschnitt erlaubt auch dann einen Notluftbetrieb der Brennkraftmaschine, wenn der Aktuator beispielsweise infolge eines Fehlers in seiner Steuerung außer Betrieb gesetzt ist. Dieser definierte Strömungsquerschnitt stellt sich auch während eines Stillstands der Brennkraftmaschine ein und dient dann als Ausgangspunkt für die Regelung beim Start der Brennkraftmaschine .
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
Besonders bevorzugt liegt der definierte Strömungsquerschnitt vor, wenn die Axialluftoffnung vollständig verschlossen ist und die Radialluftoffnung einen Notluft-Strömungsquerschnitt aufweist. Bei außer Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator kann die Turbine dann im Notluft- oder Kaltluftturbinenbetrieb weiter betrieben werden, in welchem die Verbrennungsluft ausschließlich über den Zusatzkanal geleitet wird und unter einem Drall auf das Verdichterrad auftrifft, welches hierdurch eine Drehbeschleunigung erfährt.
Gemäß einer Weiterbildung beinhaltet die Stelleinrichtung auf die Sperrorgane und/oder den Aktuator wirkende Federelemente. Solche Federelemente stellen kostengünstige Bauelemente dar und sind darüber hinaus in bestehende Verdichter leicht nachrüstbar. Diese Federelemente sind beispielsweise derart ausgebildet, dass bei Vorliegen des Notluft-Strömungs- querschnitts der Radialluftoffnung Kräftegleichgewicht herrscht, wobei die Federelemente derart ausgelegt sind, dass sie die Reibung des Aktuators und/oder der Sperrorgane in deren Führungen überwinden und dadurch den Notluft- Strömungsquerschnitt im Notluftbetrieb einstellen können. Dann braucht keine weitere Antriebsquelle vorhanden zu sein, um den Aktuator und/oder die Sperrorgane in den Notluftbetrieb zu stellen.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung zeigt :
Fig.l eine schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verdichters gemäß der Erfindung;
Fig.2 eine schematische Schnittdarstellung des Verdichters von Fig.l im Notluftbetrieb;
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in Fig.l dargestellte Verdichter 1 wird insbesondere in Brennkraftmaschinen eingesetzt und ist zweckmäßig Teil eines Abgasturboladers, bei dem die im Abgasstrang angeordnete Abgasturbine über eine Welle 4 das Verdichterrad 2 im Verdichtergehäuse 22 antreibt, die drehbar in einem Verdichtereinlasskanal 5 gelagert ist. Die aus einem vorgelagerten, im Verdichtergehäuse 22 angeordneten Luftsammeiraum 6 über eine Axialluftoffnung 7 in den axialen Verdichtereinlasskanal 5 gelangende Verbrennungsluft wird von den rotierenden Verdichterradschaufeln 3 auf einen erhöhten Ladedruck verdichtet und radial in einen Diffusor 13 im Verdichtergehäuse 22 abgeleitet, von dem aus die komprimierte Verbrennungsluft üblicherweise zunächst in einem Ladeluftkühler gekühlt und anschließend unter Ladedruck in die Zylinder der Brennkraftmaschine geleitet wird. Die Rotationsachse des Verdichterrades 2 ist mit der Verdichterachse 11 identisch, die auch zugleich die Längsachse des Verdichtereinlasskanals 5 ist. Der vorgelagerte Luftsammeiraum 6 ist als Ringraum ausgebildet und weist gegenüber der Verdichterachse 11 einen radialen Abstand auf. Die Axialluftoffnung 7, welche Teil des Verdichtereinlasskanals 5 ist und über die die
Verbrennungsluft aus dem Luftsammeiraum 6 in Pfeilrichtung 8 in den Verdichtereinlasskanal 5 strömt, ist halbaxial ausgerichtet und schließt mit der Verdichterachse 11 einen Winkel ein. Axial in Pfeilrichtung 10 verschieblich ist in dem Verdichtereinlasskanal 5 ein Sperrorgan 9 angeordnet, bei dessen axialer Bewegung der Querschnitt der Axialluftoffnung 7 zwischen einer in Fig. 1 dargestellten Öffnungsstellung und einer Schließstellung (Fig. 2) zu verschieben ist, in welcher die Axialluftoffnung 7 vollständig abgesperrt ist und ein Übertritt von Verbrennungsluft aus dem Luftsammeiraum 6 in den Verdichtereinlasskanal 5 unterbunden ist. Bei der Überführung von der Öffnungsposition bis zum Erreichen der Schließposition legt das Sperrorgan 9 einen axialen Stellweg Si zurück. Das Sperrorgan 9 wird mit Hilfe eines Aktuators 12 axial verschoben. In Öffnungsstellung ist die Axialluftoffnung 7 zwischen der Außenkontur des Sperrorgans 9 und einem Axialschieber 14 gebildet, der ebenfalls in Achsrichtung verschoben werden kann und einen axial verlaufenden, radial jedoch außerhalb des Verdichtereinlasskanals 5 verlaufenden Zusatzkanal 15 gegenüber dem Verdichtereinlasskanal abtrennt. Der Zusatzkanal 15 kommuniziert einenends ebenfalls mit dem Luftsammeiraum 6 und mündet anderenends über eine Radialluftoffnung 16 radial in Höhe des Verdichterrades 2 in den Verdichtereinlasskanal 5. Die über den Zusatzkanal 15 zugeführte Verbrennungsluft trifft näherungsweise radial auf die Verdichterradschaufeln 3 auf und beaufschlagt diese mit einem beschleunigenden Drall. Zur Verbesserung der Drallwirkung ist in der Radialluftoffnung 16 ein Drallgitter 17 angeordnet, welches beispielsweise über den Umfang des Drallgitters 17 verteilte Leitschaufeln aufweist, die den Strömungsverlauf der auftreffenden Verbrennungsluft beeinflussen.
Axialschieber 14 und Drallgitter 17 bilden gemeinsam ein weiteres Sperrorgan, über das der Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 16 zwischen einem in Fig.l dargestellten maximalen Wert und einem demgegenüber kleineren Notluft- Strömungsquerschnitt zu verstellen ist, der in Fig.2 veranschaulicht ist. Darüber hinaus kann die Radialluftoffnung 16 auf ein Minimum reduziert, gegebenenfalls auch vollständig abgesperrt werden. Die Verstellung des Strömungsquerschnitts der Radialluftoffnung 16 erfolgt durch eine axiale Verschiebung des Axialschiebers 14 in Pfeilrichtung 18; der maximal mögliche Stellweg des Axialschiebers 14 bei der Überführung des Strömungsquerschnitts der Radialluftoffnung 16 zwischen Maximalwert und Minimalwert ist in Fig.l mit S2 gekennzeichnet.
Der Axialschieber 14 ist am Verdichtergehäuse 22 verschieblich gelagert und wird von einem vorzugsweise vorgespannten Federelement 19 in seine Öffnungsstellung beaufschlagt. Zur Überführung aus der in Fig. 1 dargestellten Öffnungsstellung in die in Fig.2 gezeigte Notluft-Stellung wird der Axialschieber 14 entgegen der Federkraft des Federelementes 19 verschoben; hierbei wird das Drallgitter 17 in eine axiale Aufnahmeöffnung 20 im Axialschieber 14 eingeschoben.
In Fig.2 ist das Sperrorgan 9 axial in seine Schließstellung verstellt, in welcher die Axialluftoffnung 7 des Verdichtereinlasskanals 5 abgesperrt ist. Das Sperrorgan 9 ist als Sperrstempel ausgebildet, wobei in der Sperrstellung die Außenkontur des Sperrorgans 9 die Außenkontur des Axialschiebers 14 berührt, so dass die Axialluftoffnung 7 geschlossen ist.
Der Axialschieber 14 befindet sich in der in Fig.2 dargestellten Lage in einer Stellung, in welcher der Notluft- Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 16 vorhanden. Das Drallgitter 17 ist beinahe vollständig in der axialen Aufnahmeöffnung 20 im Axialschieber 14 aufgenommen. Durch die verbleibende Radialluftoffnung 16 kann nur ein verhältnismäßig geringer Luftmassenstrom hindurchströmen, so dass das Verdichterrad 2 auch nur einen entsprechend geringen Drehimpuls erfährt. In dieser Konfiguration nimmt der Verdichter 1 die Funktion einer Kaltluftturbine ein, da der über den Zusatzkanal 15 zugeführte Verbrennungsluftstrom aufgrund eines Druckgefälles das Verdichterrad 2 antreibt und stromab des Verdichterrades 2 auf einen Unterdruck entspannt wird.
Bei einer Verschiebung des Sperrorgans 9 in Gegenrichtung - weg vom Verdichterrad 2 - wird zunächst der Axialschieber 14 unter dem Einfluss des Federelements 19 in seine Öffnungsposition verschoben, wobei in dieser Phase die Axialluftoffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal 5 noch geschlossen bleibt. Nach dem Erreichen seiner Öffnungsposition, welche durch einen Anschlag 21 gesichert sein kann, wird bei einem weiteren Verschieben des Sperrorgans 9 weg vom Verdichterrad 2 auch die Axialluftoffnung 7 zum Verdichtereinlasskanal 5 wieder geöffnet, bis nach dem Zurücklegen des Stellwegs Si die Axialluftoffnung 7 vollständig geöffnet ist und der Strömungsquerschnitt ein Maximum erreicht. Über eine Verschiebung des Anschlages 21, welcher die Öffnungsstellung des Axialschiebers 14 markiert, kann das Verhältnis der Strömungsquerschnitte von Axialluftoffnung zu Radialluftoffnung beeinflusst werden.
Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Stelleinrichtung vorgesehen, durch welche die Stellorgane 9, 14, 17 bei außer Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator 12 selbsttätig in -eine Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungsquerschnitt der Axialluftoffnung 7 und/oder der Radialluftoffnung 16 vorhanden ist. Vorzugsweise soll im Rahmen eines Notlaufbetriebs des Verdichters 1 die Axialluftoffnung 7 vollständig verschlossen sein und sich der Notluft-Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 16 gemäß Fig.2 einstellen, bei welchem der Verdichter 1 die Funktion einer Kaltluftturbine einnimmt.
Besonders bevorzugt beinhaltet die Stelleinrichtung eine Federeinrichtung mit auf die Sperrorgane 9, 14, 17 und den Aktuator 12 wirkenden Federelementen, die derart ausgebildet sind, dass bei Vorliegen des Notluft-Strömungsquerschnitts der Radialluftoffnung 16 Kräftegleichgewicht herrscht.
Hierzu ist zwischen einem endseitigen Ringbund 24 eines auf das Sperrorgan 9 wirkenden Aktuatorkolbens 26 und einem Aktuatorgehäuse 28 eine Aktuatorfeder 30 vorgespannt abgestützt, welche den Aktuator 12 in eine die Axialluftoffnung 7 und die Radialluftoffnung 17 verschließende Richtung beaufschlagt. Weiterhin ist ab einem bestimmten Stellweg wirksame Anschlagfeder 32 vorhanden, welche den Axialschieber 14 in seine Öffnungsstellung beaufschlagt. Wie am besten Fig.l veranschaulicht, ist die Anschlagfeder 32 an einem parallel zur Verdichterachse 11 verlaufenden, in Richtung des Verdichterrades 2 ragenden Stab 34 aufgenommen, welcher von einer in den Zusatzkanal 15 hineinragenden Nase 36 des Axialschiebers 14 wegragt. Die Anschlagfeder 32 ist dabei zwischen einer Stirnfläche der Nase 36 und einer Scheibe 38 unter Vorspannung abgestützt, die zwar in einer zur Nase 36 gewandten Richtung, aber beispielsweise durch einen als Ringbund am Ende 40 des Stabes 34 gebildeten Anschlag nicht über das Ende 40 des Stabes 34 hinaus auf dem Stab 34 axial verschieblich ist. In der in Fig.l gezeigten Stellung des Axialschiebers 14, in welcher der
Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 16 maximal ist, ist das Ende 40 des Stabes 34 von einer koaxialen Sacklochbohrung 42 in einer senkrecht zum Stab 34 verlaufenden Wandung des Verdichtergehäuses 22 beabstandet und die Anschlagfeder 32 daher wirkungslos.
Falls der Aktuator 12 ausfällt, beispielsweise aufgrund eines Defekts in seiner Steuerung, ist der Aktuatorkolben 26 in Bezug auf den Aktuator 12 kräftefrei, beaufschlagt aber infolge der Federspannung der Aktuatorfeder 30 das Sperrorgan 9 in die Kontaktstellung mit dem Axialschieber 14. Dabei ist die Federkraft der als Druckfeder wirkenden Aktuatorfeder 30 so groß, dass sie die Reibungskräfte der Führungen der Sperrorgane 9, 14, 17 sowie die vom Federelement 19 ausgehende Gegenkraft überwindet, so dass der Axialschieber 14 in die Notluftposition gemäß Fig.2 gelangen kann, in welcher die das Ende der Anschlagfeder 32 abstützende Scheibe 38 am Bohrungsrand der Sacklochbohrung 42 anschlägt. Die Federrate der Anschlagfeder 32 ist wiederum so groß, dass sie im Zustand des sich nun einstellenden Kräftegleichgewichts kaum einfedert, so dass das Ende 40 des Stabes 34 allenfalls geringfügig in die Sacklochbohrung 42 hineinragt.
Aufgrund ihrer relativ hohen Federrate bildet die Anschlagfeder 32 zusammen mit der Scheibe 38 einen ab einem bestimmten Stellweg des Axialschiebers 14 wirksamen, überdrückbaren Anschlag für den Axialschieber 14, der ihn in der dem Notluft- Strömungsquerschnitt zugeordneten Position gemäß Fig.2 hält, welche den Notluftbetrieb des Verdichters 1 repräsentiert. Überdrückbar ist der Anschlag in Form der Anschlagfeder 32 deshalb, weil bei intaktem Aktuator 12 dieser nach wie vor durch Betätigung des Aktuatorkolbens 26 nach rechts den Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 16 über den im Notluftbetrieb herrschenden Notluft-Strömungsquerschnitt hinaus gegen die Wirkung der Anschlagfeder 32 verkleinern kann, bis der Strömungsquerschnitt durch die Radialluftoffnung 16 minimal, z.B. im Leerlauf bzw. annährend gleich Null ist und beispielsweise das Ende 40 des Stabes 34 am starren Boden der Sacklochbohrung 42 anschlägt, um eine weitere Bewegung zu verhindern.
Falls jedoch der Aktuator 12 bei Stillstand der Brennkraftmaschine oder durch einen Defekt bedingt außer Betrieb gesetzt ist, stellt sich bedingt durch die Aktuatorfeder 30, das Federelement 19 und die Anschlagfeder 32 automatisch eine Position des Sperrorgans 9 und des Axialschiebers 14 ein, in welcher ein Kräftegleichgewicht zwischen den Federkräften herrscht und die Axialluftoffnung 7 verschlossen und der für den Notluftbetrieb notwendige Notluft-Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung 17 geöffnet bleibt.

Claims

DaimlerChrysler AG
Patentansprüche
1. Verdichter (1) im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, mit einem in einem axialen Verdichtereinlasskanal (5) drehbar gelagerten Verdichterrad (2) , mit welchem aus einem Verbrennungsluftkanal (6) durch wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare und stromauf des Verdichterrades (2) angeordnete Axialluftoffnung (7) in den axialen Verdichtereinlasskanal (5) zugeführte Verbrennungsluft auf einen erhöhten Ladedruck komprimierbar ist, und mit einem stromauf des Verdichterrades (2) in den Verdichtereinlasskanal (5) radial einmündenden Zusatzkanal (15) , in dessen Mündungsbereich in den Verdichtereinlasskanal (5) wenigstens eine im Strömungsquerschnitt einstellbare Radialluftoffnung (17) angeordnet ist, um durch Zufuhr von Verbrennungsluft das Verdichterrad (2) zu treiben, wobei die Strömungsquerschnitte der Axialluftoffnung (7) und der Radialluftoffnung (16) mittels verstellbarer, durch wenigstens einen Aktuator (12) betätigbare Sperrorgane (9, 14, 17) einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Stelleinrichtung (19, 30, 32, 34, 38, 42) vorgesehen ist, durch welche die Sperrorgane (9, 14, 17) bei außer Betrieb befindlichem oder gesetztem Aktuator (12) selbsttätig in eine Lage bringbar sind, in welcher ein definierter Strömungsquerschnitt der Axialluftoffnung (7) und/oder der Radialluftoffnung (16) vorhanden ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Strömungsquerschnitt vorliegt, wenn die Axialluftoffnung (7) vollständig verschlossen und die
Radialluftoffnung (16) einen Notluft-Strömungsquerschnitt aufweist.
Verdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung auf die Sperrorgane (9, 14, 17) und/oder den Aktuator (12) wirkende Federelemente (19,
30, 32) beinhaltet.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (19, 30, 32) derart ausgebildet sind, dass bei Vorliegen des Notluft- Strömungsquerschnitts der Radialluftoffnung (16) Kräftegleichgewicht herrscht.
Verdichter nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sperrorgan (9) für die Axialluftoffnung (7) und ein weiteres Sperrorgan (14, 17) für die Radialluftoffnung (16) vorhanden ist, wobei das eine Sperrorgan (9) das weitere Sperrorgan (14, 17) beaufschlagt und eine Stellbewegung des einen Sperrorgans (9) eine Verstellung des weiteren Sperrorgans (14, 17) erzeugt.
6. Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (12) durch eine Aktuatorfeder (30) in eine die Radialluftoffnung (16) verschließende Richtung beaufschlagt ist.
7. Verdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Bewegungsabschnitt (Si) der Stellbewegung ausschließlich das eine Sperrorgan (9) und in einem darauf folgenden zweiten Bewegungsabschnitt (S2) das eine Sperrorgan (9) und das weitere Sperrorgan (14, 17) verstellbar sind.
8. Verdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbewegung in Achsrichtung des Verdichterrades (2) verläuft.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sperrorgan (14, 17) in eine seiner Endstellungen federbeaufschlagt ist und das eine Sperrorgan (9) gegen die Federwirkung auf das weitere Stellorgan (14, 17) wirkt.
10. Verdichter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Sperrorgan einen Axialschieber (14) und ein Drallgitter (17) im Bereich der Radialluftoffnung (16) umfasst, wobei der Axialschieber (14) zwischen einer den Strömungsquerschnitt der Radialluftoffnung (16) freigebenden Öffnungsstellung und einer diesen Strömungsquerschnitt reduzierenden oder verschließenden Schließstellung verstellbar ist.
11. Verdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Axialschieber (14) eine axiale Aufnahmeöffnung (20) zur Aufnahme des Drallgitters (17) eingebracht ist.
12. Verdichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) durch eine Axialschieberfeder (19) in seine Öffnungsstellung beaufschlagt ist.
13. Verdichter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) in Öffnungsstellung gegen einen Anschlag (21) anschlagbar ist.
14. Verdichter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialschieber (14) in einer dem Notluft- Strömungsquerschnitt zugeordneten Position gegen einen in Schließrichtung der Radialluftoffnung (16) überdrückbaren Anschlag (32, 38) anschlagbar ist.
15. Verdichter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag für den Axialschieber (14) eine ab einem bestimmten Stellweg wirksame vorgespannte Anschlagfeder (32) beinhaltet, welche den Axialschieber (14) in seine Öffnungsstellung beaufschlagt.
16. Abgasturbolader mit einem Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und einer Abgasturbine im Abgasstrang der Brennkraftmaschine.
17. Elektrisch oder mechanisch angetriebener Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 15 im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine .
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