WO2009071174A1 - Abgasturbolader für eine brennkraftmaschine und verfahren zum schalten einer luftführungsvorrichtung eines abgasturboladers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (12) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem Ansaugtrakt (14) der Brennkraftmaschine (10) anordenbaren Verdichter (13) zum Vorverdichten eines durch den Ansaugtrakt (14) auf den Verdichter (13) zu leitenden Luftstroms, wobei dem Verdichter (13) eine schaltbare Luftführungsvorrichtung (21) vorgeordnet ist, mittels welcher der Verdichter (13) auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung (21), welche einem Verdichter (13) eines Abgasturboladers (12) einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, vorgeordnet ist.

Description

Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung eines Abgasturboladers

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung eines Abgasturboladers.

Ein derartiger Abgasturbolader ist bereits aus dem Serienfahrzeugbau bekannt und umfasst üblicherweise einen in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine anordenbaren Verdichter zum Vorverdichten eines Luftstroms, welcher durch den Ansaugtrakt auf den Verdichter zu leitenden ist. Der Verdichter übernimmt dabei das Ansaugen des Luftstroms und fördert den vorverdichteten Luftstrom weiter zur Brennkraftmaschine. Die Antriebsleistung des Verdichters wird durch eine in einem Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordnete und über eine Welle drehfest mit dem Verdichter gekoppelte Abgasturbine geliefert, welche durch die Abgase der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei die Abgasturbine mit dem Verdichter mit Hilfe einer Welle drehfest verbunden ist. Die drehfest verbundene Kombination des Verdichters, der Abgasturbine und der Welle ist üblicherweise mit Laufzeug bezeichnet. Der vom Verdichter vorverdichtete und aufgeheizte Luftstrom wird vor dem Eintritt in die Zylinder der Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Ladeluftkühlers gekühlt, um eine verbesserte Zylinderfüllung zu erzielen.

Als nachteilig an den bekannten Abgasturboladern ist dabei jedoch der Umstand anzusehen, dass es aufgrund der Massenträgheit des Laugzeugs bei dynamischen Lastwechselvorgängen der Brennkraftmaschine, beispielsweise beim Wechsel vom Teillast- in den Vollast-Betriebsmodus, zum sogenannten "Turboloch" kommt, da das Laufzeug und damit der Verdichter erst wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt werden muss, um den gewünschten Ladedruck bereitstellen zu können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Abgasturbolader sowie ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung eines Abgasturboladers zu schaffen, welche ein verbessertes Ansprechverhalten einer Brennkraftmaschine ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung eines Abgasturboladers gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteil^¬ hafte Ausgestaltungen des Abgasturboladers - soweit anwendbar - als vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umge^¬ kehrt anzusehen sind.

Erfindungsgemäß wird ein verbessertes Ansprechverhalten einer Brennkraftmaschine dadurch ermöglicht, dass dem Verdichter eine schaltbare Luftführungsvorrichtung vorgeordnet ist, mittels welcher der Verdichter auf zumindest zwei unter- schiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass die Anströmbedingungen des Verdichters mit Hilfe der Luftführungsvorrichtung vari^¬ iert werden können, wodurch es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich ist, den Luftstrom beispielsweise im Teillast- und im Vollast-Betriebsmodus jeweils unterschiedlich auf einen Eintrittsbereich des Verdichters zu leiten. Die Möglichkeit einer variablen Anströmung des Verdichters erlaubt daher eine verbesserte Berücksichtigung des jeweiligen Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, woraus ein entsprechend verbessertes Ansprechverhalten derselben resultiert. Durch eine anpassbare Anströmung des Verdichters kann dessen Drehzahl beispielsweise im Teillast-Betriebsmodus angehoben werden, so dass sich beim dynamischen Lastwechsel vom Teillast- in den Vollast-Betriebsmodus die zum Beschleunigen des Verdichters auf die geforderte Nenndrehzahl benötigte Zeitspanne entsprechend verkürzt bzw. die geforderte Nenndrehzahl bereits anliegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftführungsvorrichtung zwischen einer Vor- Drallstellung, im Folgenden als Wirbelstellung bezeichnet, in welcher dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters eine Drehimpulskomponente in Form einer Umfangskomponente zu verleihen ist, und einer Leistungsstellung, in welcher der Verdichter mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom anzuströmen ist, zu schalten ist. In der Wirbelstellung kann somit die Drehzahl des Verdichters beispielsweise unter Teillast durch Veränderung der Anströmbedingungen erhöht werden, ohne dass externe Energie - beispielsweise mittels eines elektrischen Unterstützers - eingebracht werden müsste. Der Verdichter nimmt bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung somit weniger Leistung auf, wodurch ein größerer Teil der von der Abgasturbine eingespeisten Leistung zur Überwindung von Lagerreibungskräften genutzt und die Drehzahl des Verdichters entsprechend angehoben werden kann. Im Idealfall entspricht die auf diese Weise erreichbare Drehzahl der geforderten Nenndrehzahl, so dass ein zumindest annähernd "drehzahlstationärer" Betrieb des Verdichters erreichbar ist. Umgekehrt kann ein Schalten der Luftführungsvorrichtung in die Leistungsstellung dazu genutzt werden, den Verdichter mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom anzuströmen, um etwa im Vollast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine keine Leistungsminderung zu erhalten.

Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung der dem Luftstrom zu verleihende Drall in Drehrichtung des Verdichters gerichtet ist. Somit ist eine Umlenkarbeit, welche von einem Verdichterrad des Verdichters aufzubringen ist verringert, wodurch gemäß der bekannten Eulergleichung die aufgenommene Verdichterarbeit herabgesetzt werden kann. Somit ergibt sich bei entsprechender Leistung der Abgasturbine eine erhöhte Abgasturboladerdrehzahl.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftführungsvorrichtung zumindest einen Vor-Drallkanal, im Weiteren als Wirbelkanal bezeichnet, und einen Leistungskanal umfasst, wobei der Luftstrom in der Wirbelstellung zumindest überwiegend durch den Wirbelkanal und in der Leistungsstellung zumindest überwiegend durch den Leistungskanal zu leiten ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, den Verdichter auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Luftführungsvorrichtung eine Schaltklappe umfasst, mittels welcher ein Anteil des durch den Wirbelkanal und/oder durch den Leistungskanal zu leitenden Luftstroms einzustellen ist. Eine derartige Schaltklappe erlaubt ein schnelles Schalten der Luftführungsvorrichtung und kann einfach und bauraumsparend in die Luftführungsvorrichtung integriert werden. Der mittels der Schaltklappe einstellbare Anteil des Luftstroms ist dabei vorzugsweise ein Massenanteil. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass mittels der Schaltklappe der gesamte Luftstrom entweder durch den Wirbelkanal oder durch den Leistungskanal zu leiten ist. Die Schaltklappe sollte dabei vorteilhafterweise Schaltzeiten unter 100 ms aufweisen, um ein schnelles Ansprechen auf Lastwechselvorgänge der Brennkraftmaschine sicherzustellen. Ein weiterer Vorteil der Schaltklappe besteht darin, dass der angesaugte Luftstrom gezielt angedrosselt werden kann, wodurch eine Steuerung von Abgasrückführungsraten der Brennkraftmaschine ermöglicht sind, wobei eine Reduzierung der Abgasturboladerdrehzahl weitestgehend vermeidbar ist.

Des Weiteren kann durch gezielte Androsselung mit Hilfe der Schaltklappe der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert werden, wodurch die Temperatur der Abgase steigt. Dieser Effekt kann dann beispielsweise zur Verbesserung der Emissionswerte beim Kaltstart oder bei als Dieselmotoren ausgebildeten Brennkraftmaschinen zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters bzw. eines NO_x- Speicherkatalysators verwendet werden.

Damit der Verdichter beim Bewegen der Schaltklappe nicht durch Druckimpulse geschädigt wird, hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass die Schaltklappe radial gegenüber dem Leistungskanal verschwenkbar ist. Durch ein radiales Einschwenken der Schaltklappe wird sichergestellt, dass die in Richtung des Verdichters bewegte Fläche der Schaltklappe möglichst klein ist und eine entsprechend geringe Druckanregung verursacht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftführungsvorrichtung ein Luftleitelement, insbesondere ein Leitgitter, umfasst, mittels welchem eine Strömungsrichtung des Luftstroms umzulenken und/oder dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters die Drehimpulskomponente zu verleihen ist. Mit Hilfe eines derartigen Luftleitelements kann die Strömungsrichtung des Luftstroms besonders einfach und variabel umgelenkt und beispielsweise mit der Drehimpulskomponente versehen werden. Je nach Auslegung kann das Luftleitelement zu diesem Zweck eine oder mehrere Leitschaufeln mit variierbaren Schaufelprofi- lierungen bzw. Schaufelwinkeln oder unterschiedliche Durchströmungsquerschnitte aufweisen und ist somit optimal an die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten anpassbar.

Dabei kann die Luftführungsvorrichtung besonders bauraumsparend ausgebildet werden, indem der Wirbelkanal an einem Außenumfang des Leistungskanals angeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung hat es sich zudem als vorteilhaft gezeigt, dass der Wirbelkanal zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit dar, den Wirbelkanal als Strömungsvolute ausbilden und zur gezielten Umlenkung des Luftstroms verwenden zu können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftführungsvorrichtung mechanisch, insbesondere mittels einer Über- und/oder Unterdruckdose, und/oder elektronisch zu schalten ist. Dies erlaubt eine besonders variable Ausgestaltung des Abgasturboladers und eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedliche konstruktive Gegebenheiten, Ausstattungslinien oder dergleichen.

Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Luftführungsvorrichtung ein Gehäuse zugeordnet ist, über welches die Luftführungsvorrichtung mit dem Abgasturbolader und/oder dem Ansaugtrakt koppelbar ist. Obwohl die Luftführungsvorrichtung grundsätzlich auch in ein ohnehin vorhandenes Verdichtergehäuse des Abgasturboladers integriert sein kann, bietet ein derartiges Gehäuse den Vorteil, dass die Luftführungsvorrichtung als selbständiges Bauteil ausgebildet sein und somit einfach mit bereits vorhandenen Abgasturboladern gekoppelt bzw. als Nachrüstlösung angeboten werden kann. Weiterhin wird aufgrund der variablen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Luftführungsvorrichtung eine Senkung der Lagerhaltungskosten sowie der Wartungs- und Reparaturkosten erreicht.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung, welche einem Verdichter eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, vorgeordnet ist, wobei der Verdichter zum Vorverdichten eines durch den Ansaugtrakt auf den Verdichter zu leitenden Luftstroms im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordnet und mittels der Luftführungsvorrichtung auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist, wobei die Schritte a) Ermitteln eines Betriebsmodus der Brennkraftmaschine und b) Schalten der

Luftführungsvorrichtung in eine Wirbelstellung, in welcher dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters eine Drehimpulskomponente verliehen wird, falls die Brennkraftmaschine gemäß Schritt a) in einem Teillast- Betriebsmodus betrieben wird oder Schalten der Luftführungsvorrichtung in eine Leistungsstellung, in welcher der Verdichter mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom angeströmt wird, falls die Brennkraftmaschine gemäß Schritt a) in einem Vollast- Betriebsmodus betrieben wird, durchgeführt werden. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass der Verdichter des Abgasturboladers im Teillast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine mit einem drallbehafteten und im Vollast- Betriebsmodus mit einem zumindest im Wesentlichen drallfreien Luftstrom angeströmt wird. Auf diese Weise wird die Drehzahl des Verdichters im Teillast-Betriebsmodus ohne die Einbringung von externer Energie energetisch günstig angehoben und muss daher beim Lastwechsel in den Vollast- Betriebsmodus nicht wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt werden. Dies ermöglicht aufgrund des zumindest annähernd drehzahlstationären Betriebs des Verdichters ein deutlich verbessertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine und vermeidet das Entstehen des sogenannten Turbolochs. Weitere sich ergebende Vorteile sind bereits den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen.

Dabei hat es sich insbesondere bei als Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschinen als vorteilhaft gezeigt, dass die Luftführungsvorrichtung in die Wirbelstellung geschaltet wird, falls die Brennkraftmaschine gemäß Schritt a) in einen gestoppten Betriebsmodus geschaltet wird, da auf diese Weise der beim Abschalten von Dieselmotoren übliche Abschaltschlag zuverlässig unterdrückt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung einer

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, welchem in einem Ansaugtrakt eine Luftführungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel vorgeordnet ist, wobei die Luftführungsvorrichtung in eine Wirbelstellung geschaltet ist;

Fig. 2 eine schematische Prinzipdarstellung der in Fig. 1 gezeigten Brennkraftmaschine, wobei die Luftführungsvorrichtung in eine Leistungsstellung geschaltet ist;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Luftführungsvorriehtung;

Fig. 4 eine weitere perspektivische Explosionsdarstellung der Luftführungsvorrichtung;

Fig. 5 eine perspektivische Seitenansicht der LuftführungsVorrichtung ;

Fig. 6 eine perspektivische Rückansicht der Luftführungsvorriehtung;

Fig. 7 eine perspektivische Frontalansicht der Luftführungsvorrichtung ohne Oberschale; Fig. 8 ein Diagramm mit mehreren Vergleichsmessungen von Verdichterkennfeldern des Abgasturboladers mit und ohne die Luftführungsvorrichtung; und

Fig. 9 ein Diagramm mit mehreren

Motorprüfstandmessergebnissen des Abgasturboladers mit und ohne die Luftführungsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung einer im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierzylindriger Dieselmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine 10 mit einem Abgasturbolader 12, welcher einen Verdichter 13 in einem Ansaugtrakt 14 sowie eine über eine Welle 16 drehfest mit dem Verdichter 13 gekoppelte Abgasturbine 18 in einem Abgastrakt 20 umfasst. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Brennkraftmaschine 10 als Ottomotor mit geschichteter Direkteinspritzung ausgebildet ist. Die durch den Abgastrakt 20 geführten Abgase der Brennkraftmaschine 10 treiben über die Abgasturbine 18 den Verdichter 13 an, welcher dann seinerseits den durch den Ansaugtrakt 14 geleiteten Luftstrom vorverdichtet. Dem Verdichter 13 des Abgasturboladers 12 ist dabei im Ansaugtrakt 14 eine in einem Gehäuse 19 aufgenommene Luftführungsvorrichtung 21 vorgelagert, mittels welcher der Verdichter 13 auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist und deren Funktionsweise im Folgenden näher erläutert werden wird. Nach dem Vorverdichten mittels des Verdichters 13 wird der Luftstrom schließlich durch einen an sich bekannten Ladeluftkühler 26 geleitet, mittels welchem die durch den Verdichter 13 aufgeheizte, vorverdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine 10 abgekühlt wird. Die Pfeile Ia und Ib kennzeichnen dabei die Strömungsrichtung des Luftstroms im Ansaugtrakt 14, die Pfeile Ic und Id die Strömungsrichtung der durch die Verbrennung innerhalb der Brennkraftmaschine 10 entstehenden Abgase im Abgastrakt 20.

Der in den Ansaugtrakt 14 eingesaugte Luftstrom wird zunächst mittels eines Luftfilters 22 gereinigt. Anschließend wird über einen dem Luftfilter 22 nachgeordneten Luftmassenmesser 24, welcher vorliegend als Heißfilmluftmassenmesser ausgebildet ist, die Masse des Luftstroms zur Steuerung des späteren Verbrennungsprozesses ermittelt. Der Luftmassenmesser 24 kann zudem gegebenenfalls wichtige Stellgrößen für ein Abgasrückführungssystem (nicht abgebildet) liefern. Die dem Verdichter 13 des Abgasturboladers 12 vorgelagerte Luftführungsvorrichtung 21 umfasst einen Wirbelkanal 28, einen Leistungskanal 30 sowie eine verschwenkbare Schaltklappe 32, mittels welcher der Luftstrom zwischen dem Wirbelkanal 28 und dem Leistungskanal 30 aufteilbar ist. Die Schaltklappe 32 ist dabei möglichst nahe am Verdichter 13 angeordnet, um das Volumen zwischen dem Verdichter 13 und der Schaltklappe 32 und damit das Volumen, innerhalb welchem sich eine Drehimpulskomponente des Luftstroms unerwünscht abschwächen könnte, möglichst gering zu halten. Die Schaltklappe 32 verschließt in der gezeigten Wirbelstellung der Luftführungsvorrichtung 21 den Leistungskanal 30 vollständig, so dass der Luftstrom ausschließlich gemäß Pfeil W durch den Wirbelkanal 28 geleitet wird. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Teil des Luftstroms zusätzlich gemäß Pfeil L durch den Leistungskanal 30 geleitet wird. Durch den Wirbelkanal 28 wird der Luftstrom gleichmäßig auf ein Luftleitelement 34 verteilt, welches am Ende des Wirbelkanals 28 angeordnet ist und aus mehreren, auf einem Kreisring 36 aufgebrachten Leitschaufeln 38 besteht (s. Fig. 3) . Durch die Leitschaufeln 38 wird dem Luftstrom ein Drall in Drehrichtung eines nicht näher dargestellten Verdichterrades des Verdichters 13 verliehen, ein sogenannter Mitdrall. Mit anderen Worten wird ein drallbehafteter Luftstrom erzeugt, mittels welchem der Verdichter 13 mit einem starken Mitdrall anzuströmen ist, so dass eine aerodynamische Entlastung des Verdichters 13 herbeigeführt wird und die Drehzahl des Verdichters 13 entsprechend erhöht wird. Dadurch muss der Verdichter 13 beim Lastwechsel in den Vollast-Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (s. Fig. 2) nicht erst wieder auf die geforderte Nenndrehzahl beschleunigt werden, so dass ein schnelles Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 10 gewährleistet ist. Eine besonders große Drehzahlsteigerung kann dadurch erzielt werden, dass dem Verdichter 13 mittels des Luftstroms ein derart starker Mitdrall aufgeprägt wird, dass der Verdichter 13 im Teillast- Betriebsmodus der Brennkraftmaschine 10 als sogenannte Kaltluftturbine bzw. Impulsturbine arbeitet.

Fig. 2 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der Brennkraftmaschine 10 gemäß Fig. 1, wobei die Luftführungsvorrichtung 21 in eine Leistungsstellung geschaltet ist, in welcher die Schaltklappe 32 sowohl den Wirbelkanal 28 als auch den Leistungskanal 30 vollständig freigibt. Der Schaltvorgang zwischen der Wirbel- und der Leistungsstellung erfolgt dabei beim Lastwechsel der Brennkraftmaschine 10 zwischen dem Teillast- und dem Vollast- Betriebsmodus. Da der Verdichter 13 im Vollast-Betriebsmodus zur Vermeidung einer Leistungsminderung der

Brennkraftmaschine 10 mit möglichst drallfreier Luftströmung angeströmt werden muss, wird zumindest der überwiegende Anteil der Luftströmung in der Leistungsstellung gemäß Pfeil L durch den Leistungskanal 30 geleitet und strömt den Verdichter 13 drallfrei bzw. makroskopisch betrachtet ohne eine parallel zu einem Drehimpuls des Verdichter 13 angeordnete Drehimpulskomponente an. Fig. 3 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Luftführungsvorrichtung 21. Das mehrteilige Gehäuse 19 der Luftführungsvorrichtung 21, welches vorliegend aus Kunststoff gefertigt ist, allerdings auch aus anderen Materialen hergestellt sein kann, umfasst eine mit dem Ansaugtrakt 14 koppelbare Oberschale 40, welche eine korrespondierend mit einem Anschluss des Ansaugtrakts 14 ausgebildete Flanschstelle aufweist. Weiterhin erkennbar ist die an einer Mittelschale 41 gehaltene Schaltklappe 32, welche über eine zugeordnete Unterdruckdose 44 um die Achse III verschwenkt werden kann und in der gezeigten Leistungsstellung sowohl den Wirbelkanal 28 als auch den Leistungskanal 30 freigibt. Zur Abdichtung des Leistungskanals 30 in der Wirbelstellung ist eine teflonbeschichtete Dichtscheibe 42 außerhalb des Querschnitts des Leistungskanals 30 angeordnet, gegen welche die mit einem gewissen Lagerspiel gelagerte Schaltklappe 32 in der Wirbelstellung aufgrund des permanent vorherrschenden Unterdrucks gezogen wird. Anstelle der gezeigten Unterdruckdose 44 können auch Überdruckdosen oder elektrische Aktuatoren vorgesehen sein, welche beispielsweise über ein Motorsteuergerät (nicht abgebildet) der Brennkraftmaschine 10 angesteuert werden können. Auf der dem Verdichter 13 zugewandten Seite des Gehäuses 19 sind schließlich eine Unterschale 46 mit einer mit einem Gehäuse des Verdichters 13 korrespondierenden Flanschgeometrie sowie das bereits beschriebene Leitelement 34 erkennbar. Zur Abdichtung der Luftführungsvorrichtung 21 gegenüber dem Gehäuse des Verdichters 13 ist schließlich ein Dichtring 48 vorgesehen. Die Anbindung der Oberschale 40 an den Ansaugtrakt 14 bzw. der Unterschale 46 an den Abgasturbolader 12 kann dabei mit Hilfe von dem Fachmann geläufigen Kopplungsmitteln wie Bajonettverschlüssen, Schlauchschellen, Henn-Kupplungen und dergleichen erfolgen. Fig. 4 zeigt eine weitere perspektivische

Explosionsdarstellung der Luftführungsvorrichtung 21. Dabei ist insbesondere der spiralförmig am Außenumfang des Leistungskanals 30 angeordnete Wirbelkanal 28 mit seinem volutenartigen Endbereich erkennbar, mittels welchem der Luftstrom gleichmäßig über das Leitelement 34 verteilt und mit einem Drall bzw. einer Drehimpulskomponente versehen werden kann. Der Wirbelkanal 28 bietet aufgrund der Umlenkung und der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms zudem den Vorteil, dass die Luftführungsvorrichtung 21 auch zur Abscheidung von Partikeln oder Wasser verwendet werden kann, was insbesondere bei Brennkraftmaschinen 10 mit Niederdruck- Abgasreinigungssystemen (nicht abgebildet) erforderlich ist. Die gezeigte Luftführungsvorrichtung 21 ermöglicht damit erhebliche Kostensenkungen aufgrund der vielfältigen ZusatzVerwendungsmöglichkeiten.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Seitenansicht der Luftführungsvorrichtung 21, wobei Pfeil V die Strömungsrichtung des Luftstroms innerhalb des Ansaugtrakts 14 kennzeichnet.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Rückansicht der Luftführungsvorrichtung 21, in welcher vor allem die mit der Schaltklappe 32 gekoppelte Unterdruckdose 44 sowie das innerhalb der Unterschale 46 angeordnete Leitelement 34 mit seinen winklig angeordneten Leitschaufeln 38 erkennbar sind.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Frontalansicht der Luftführungsvorrichtung 21, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit die Oberschale 40 nicht dargestellt ist. Dabei sind insbesondere der Leistungskanal 30 und der an dessen Außenumfang angeordnete Wirbelkanal 28 erkennbar. In der gezeigten Leistungsstellung sind sowohl der Wirbelkanal 28 als auch der Leistungskanal 30 freigegeben, so dass zumindest ein überwiegender Anteil des Luftstroms drallfrei durch den Leistungskanal 30 direkt auf den Verdichter 13 geleitet wird. Beim Schalten der Luftführungsvorrichtung 21 in die Leistungsstellung wird die Schaltklappe 32 gemäß Pfeil VII radial um die Achse III verschwenkt und verschließt dadurch den Leistungskanal 30 vollständig, so dass der angesaugte Luftstrom nur durch den Wirbelkanal 28 geleitet und mittels des Luftleitelements 34 mit einem Drall versehen wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Wirbelkanal 28 in der Leistungsstellung teilweise oder vollständig verschlossen wird. Im Gegensatz zu einer als Drosselklappe ausgebildeten Schaltklappe 32 wird aufgrund der geringen bewegten Schaltklappenfläche beim radialen Einschwenken auf den Leistungskanal 30 eine vergleichsweise geringe Druckanregung verursacht und somit der Verdichter 13 vor Beschädigungen geschützt. Die Schaltzeit der Schaltklappe 32 sollte dabei vorteilhafterweise unter 100 ms liegen.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm mit mehreren Vergleichsmessungen von Verdichterkennfeldern des Abgasturboladers 12 mit und ohne Luftführungsvorrichtung 21, wobei auf der Abszisse der reduzierte Luftmassenstrom in den Verdichter 13 und auf der Ordinate das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck am Verdichter 13 aufgetragen sind. Die Verdichterkennfelder, über welche eine Charakterisierung des Abgasturboladers 12 vorgenommen werden kann, zeigen dabei die Betriebsgrenzen des Verdichters 13 auf, welche durch die unterschiedlichen Verdichterdrehzahlen n_Verdl-5, die Pumpgrenze 50 und die Stopfgrenze 52 sichtbar sind. Die Pumpgrenze 50 markiert dabei eine Grenze, an welche sich hin zu kleineren Luft^¬ massenströmen ein zu vermeidender Bereich mit instabilen Strömungsverhältnissen anschließt und tritt bei geringen Luftmassenströmungen bzw. bei mittleren bis hohen Druckverhältnissen auf. Damit beschränkt die Pumpgrenze 50 insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten den Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10. Dies hat neben akustischen Nachteilen vor allem eine Anfahrschwäche des zugeordneten Kraftfahrzeugs zur Folge. Die Pumpgrenze 50a markiert dabei die Betriebsgrenzen des Abgasturboladers 12 ohne die vorgeordnete Luftführungsvorrichtung 21. Ist dem Abgasturbolader 12 hingegen die Luftführungsvorrichtung 21 - wie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt - vorgeordnet, kann die Pumpgrenze 50 durch drallbehaftetes Anströmen des Verdichters 13 deutlich zur Pumpgrenze 50b hin verschoben werden, so dass der Abgasturbolader 12 der Brennkraftmaschine 10 bereits bei geringeren Luftmassendurchsätzen zu einem erhöhten Ladedruck und damit einem verbesserten Ansprechverhalten verhilft. Die Messungen wurden dabei mit drei unterschiedlichen Luftleitelementen 34a-c durchgeführt, welche jeweils eine unterschiedliche Anzahl an Leitschaufeln 38 mit unterschiedlichen Schaufelgeometrien aufwiesen, woraus bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung 21 unterschiedlich starke Drallanströmungen des Verdichters 13 und somit unterschiedliche hohe Drehzahlsteigerungen resultierten.

Fig. 9 zeigt ein Diagramm mit mehreren

Motorprüfstandmessergebnissen des Abgasturboladers 12 mit und ohne die Luftführungsvorrichtung 21, wobei die Luftführungsvorrichtung 21 wiederum mit den drei unterschiedlichen Luftleitelementen 34a-c versehen wurde. Im Diagramm sind dabei auf der Abszisse der Mitteldruck und auf der Ordinate die Drehzahl des Verdichters 13 aufgetragen. Die zugeordnete Brennkraftmaschine 10 wurde während den Messungen mit einer konstanten Drehzahl von n_Mot=1400 min^"1 betrieben. Die Verwendung der mit dem Luftleitelement 34b versehenen Luftleitvorrichtung 21 führte dabei beispielsweise bei einem Mitteldruck von etwa 1,0 bar zu einer Drehzahlsteigerung des Verdichters 13 um 63%.

Claims

Patentansprüche

1. Abgasturbolader (12) für eine Brennkraftmaschine (10), insbesondere für einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem Ansaugtrakt (14) der

Brennkraftmaschine (10) anordenbaren Verdichter (13) zum Vorverdichten eines durch den Ansaugtrakt (14) auf den Verdichter (13) zu leitenden Luftstroms, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter (13) eine schaltbare

Luftführungsvorrichtung (21) vorgeordnet ist, mittels welcher der Verdichter (13) auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist.

2. Abgasturbolader (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) zwischen einer Wirbelstellung, in welcher dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters (13) eine Drehimpulskomponente zu verleihen ist, und einer Leistungsstellung, in welcher der Verdichter (13) mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom anzuströmen ist, zu schalten ist.

3. Abgasturbolader (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei in die Wirbelstellung geschalteter Luftführungsvorrichtung (21) die dem Luftstrom zu verleihende Drehimpulskomponente parallel zu einem Drehimpuls des Verdichters (13) angeordnet ist.

4. Abgasturbolader (12) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) zumindest einen Wirbelkanal (28) und einen Leistungskanal (30) umfasst, wobei der Luftstrom in der Wirbelstellung zumindest überwiegend durch den Wirbelkanal (28) und in der Leistungsstellung zumindest überwiegend durch den Leistungskanal (30) zu leiten ist.

5. Abgasturbolader (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) eine Schaltklappe (32) umfasst, mittels welcher ein Anteil des durch den Wirbelkanal (28) und/oder durch den Leistungskanal (30) zu leitenden Luftstroms einzustellen ist.

6. Abgasturbolader (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltklappe (32) radial gegenüber dem Leistungskanal (30) verschwenkbar ist.

7. Abgasturbolader (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) ein Luftleitelement (34), insbesondere ein Leitgitter, umfasst, mittels welchem eine Strömungsrichtung des Luftstroms umzulenken und/oder dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters (13) die Drehimpulskomponente zu verleihen ist.

8. Abgasturbolader (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (28) an einem Außenumfang des Leistungskanals (30) angeordnet ist.

9. Abgasturbolader (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelkanal (28) zumindest abschnittsweise spiralförmig ausgebildet ist.

10. Abgasturbolader (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) mechanisch, insbesondere mittels einer Über- und/oder Unterdruckdose (44), und/oder elektronisch zu schalten ist.

11. Abgasturbolader (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftführungsvorrichtung (21) ein Gehäuse (19) zugeordnet ist, über welches die Luftführungsvorrichtung (21) mit dem Abgasturbolader (12) und/oder dem Ansaugtrakt (14) koppelbar ist.

12. Verfahren zum Schalten einer Luftführungsvorrichtung

(21), welche einem Verdichter (13) eines Abgasturboladers (12) einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Dieselmotors eines Kraftfahrzeugs, vorgeordnet ist, wobei der Verdichter (13) zum Vorverdichten eines durch einen Ansaugtrakt (14) auf den Verdichter (13) zu leitenden Luftstroms im Ansaugtrakt (14) der Brennkraftmaschine (10) angeordnet und mittels der Luftführungsvorrichtung (21) auf zumindest zwei unterschiedliche Weisen mit dem Luftstrom anzuströmen ist, folgende Schritte umfassend: a) Ermitteln eines Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (10) ; und b) Schalten der Luftführungsvorrichtung (21) in eine Wirbelstellung, in welcher dem Luftstrom vor dem Anströmen des Verdichters (13) eine Drehimpulskomponente verliehen wird, falls die Brennkraftmaschine (10) gemäß Schritt a) in einem Teillast-Betriebsmodus betrieben wird oder Schalten der Luftführungsvorrichtung (21) in eine Leistungsstellung, in welcher der Verdichter (13) mit einem zumindest im Wesentlichen drehimpulsfreien Luftstrom angeströmt wird, falls die Brennkraftmaschine (10) gemäß Schritt a) in einem Vollast-Betriebsmodus betrieben wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftführungsvorrichtung (21) in die Wirbelstellung geschaltet wird, falls die Brennkraftmaschine (10) gemäß Schritt a) in einen gestoppten Betriebsmodus geschaltet wird.