DE19647605A1 - Abgas-Turbolader für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Turbolader für Brennkraftma­ schinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Abgas-Turbolader der vorgenannten Art sind aus der Praxis be­ kannt. Als Kennlinien-Stabilisierungs-Maßnahme wird dabei über der Radkontur des Verdichterrades etwa im ersten Viertel der Radlänge, parallel zum Ansaugkanal, ein Bypass in Form eines Ringspaltes innerhalb des Verdichtergehäuses vorgesehen, wobei dieser Bypass aus einer stromauf zum Verdichterrad liegenden radialen Eintrittsnut, einer stromab zur Eintrittskante des Verdichterrades liegenden radialen Konturnut und einer diese beiden Nuten verbindenden Ringkammer gebildet ist. Durch den parallel zum Ansaugkanal und damit zum eigentlichen Radeintritt liegenden Ringspalt ergeben sich Bypassmassenströme, die im Be­ reich der Pumpgrenze, also im Bereich minimaler Volumenstrom­ förderung und im Bereich der Stopfgrenze, d. h. im Bereich maxi­ maler Volumenstromförderung eine Verschiebung in Richtung klei­ nerer bzw. größerer Volumenströme ermöglichen, verglichen mit bauartgleichen Maschinen ohne Bypass.

Die dadurch erreichte, vorteilhafte und erwünschte Kennfelder­ weiterung ist allerdings mit Wirkungsgradnachteilen erkauft, die sich in einem störenden höheren Geräuschpegel bemerkbar ma­ chen, weswegen der Erfindung die Aufgabe zugrundeliegt, eine Lösung aufzuzeigen, die unter Erhalt der angestrebten Kennfel­ derweiterung die besagten Nachteile vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht, die darauf abzielen, den Bypass in seinem wirksamen Querschnitt variabel zu gestalten, bevorzugt derart, daß der Bypassquerschnitt lediglich in den nahe der Pumpgrenze und/oder der Stopfgrenze liegenden Bereichen des Kennlinienfeldes des Verdichters in optimierter Breite, d. h. mit optimierten Quer­ schnitt zur Verfügung gestellt wird, dazwischen aber verschlos­ sen werden kann.

Hierfür kann es im Rahmen der Erfindung zweckdienlich sein, die Eintrittsnut und/oder die Konturnut in ihrer Breite variabel, vorzugsweise verschließbar zu machen.

Als Verschlußelement kann im Rahmen der Erfindung ein Ring­ schieber vorgesehen sein, wobei dieser Ringschieber auch mehr­ teilig ausgebildet sein kann, so daß durch teleskopische Ver­ stellung beide Nuten abgedeckt werden können.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert, wobei

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Verdichterkennfeldes zeigt, und

Fig. 2 eine schematisierte Schnittdarstellung durch den Verdichterteil eines Abgasturboladers.

In dem in Fig. 1 dargestellten Verdichterkennfeld ist der Mas­ sedurchsatz in Abhängigkeit vom Totaldruckverhältnis π_v ab­ getragen, das sich verdichterseitig aus dem Verhältnis von Aus­ gangsdruck zu Eingangsdruck ergibt. Hierbei ist der Arbeitsbe­ reich eines herkömmlichen Verdichters durch die Kurvenzüge l und 2 begrenzt, wobei Kurvenzug 1 die Pumpgrenze des Verdich­ ters beschreibt, nämlich die mit dem Verdichter minimal mögli­ che Volumenförderung, und der Kurvenzug 2 die Stopfgrenze, d. h. die für den Verdichter maximal mögliche Volumenförderung. Zwi­ schen den Kurvenzügen 1 und 2 sind Linien 4 konstanter Drehzahl abgetragen, wobei mit der Drehzahl auch der Massendurchsatz steigt.

Eine Verbreiterung dieses Kennfeldes im Sinne eines Hinaus­ schiebens der Pumpgrenze wie auch der Stopfgrenze wird strich­ liert für die Pumpgrenze - Kurvenzug 5 - und punktiert für die Stopfgrenze - Kurvenzug 6 - schematisch dargestellt, und zwar jeweils in Verbindung mit einem entsprechend flacheren Verlauf der Linien konstanter Drehzahl 7 bzw. 8 wobei letztere nur im Vergleich zur obersten Drehzahlkennlinie aufgetragen sind. Er­ reicht wird eine solche Verbreiterung des Kennfeldes durch eine Bypassanordnung, wie sie anhand der Fig. 2 näher erläutert wird.

In Fig. 2 ist schematisiert der Verdichterteil eines Abgas-Turboladers dargestellt, wobei das Verdichtergehäuse mit 10 be­ zeichnet ist, das einen axial verlaufenden Ansaugkanal 12 auf­ weist. Das Verdichterrad 11 weist bei axialem Einlauf einen ra­ dialen Auslauf aus, und wird, was hier nicht weiter gezeigt ist, von dem koaxial liegenden Turbinenrad des Abgas-Turbola­ ders angetrieben. Im übrigen ist der Verdichter im wesentlichen symmetrisch zur hier strichpunktiert dargestellten Achse 13 des Verdichterrades 11 aufgebaut, weswegen die Darstellung auf die eine Hälfte des Verdichters beschränkt werden konnte.

Dem Ansaugkanal 12 ist im Übergang zum Eingangsbereich des be­ schaufelten und mit seinen Schaufeln zumindest im Eingangsbe­ reich frei gegen das Gehäuse 10 auslaufendem Verdichterrad 11 ein Bypass 14 zugeordnet, der konzentrisch zur Achse 13 ring­ förmig um das Verdichterrad 11 liegt und der im einzelnen aus einer radialen Eintrittsnut 15, einer radialen Konturnut 16 und einer die beiden Nuten 15 und 16 verbindenden Ringkammer 17 be­ steht, die sich axial zwischen den Nuten 15 und 16 erstreckt. Die Eintrittsnut 15 liegt stromauf des Verdichterrades 11, die Konturnut 16 im Überdeckungsbereich zum Verdichterrad 11 etwa im ersten Viertel der Radlänge, und die Ringkammer 17 ist zwi­ schen den Nuten 15 und 16 durch einen Ringwandabschnitt 18 ge­ gen den Ansaugkanal 12 abgegrenzt, der über Stege 19 gegenüber dem weiteren Gehäuse 10 gehalten ist. Dieser Ringwandabschnitt 18 ist erfindungsgemäß axial auf einen mittleren Führungsab­ schnitt verkürzt, und die Breite der Nuten, also der Eintritts­ nut 15 und der Konturnut 16 ist durch eine Schiebehülse 20 bestimmt, die auf dem Ringwandabschnitt 18 geführt ist.

Durch axiale Verschiebung der Schiebehülse 20 ist wahlweise die Breite der Eintrittsnut 15 oder der Konturnut 16 veränderbar. Wird die Schiebehülse doppelwandig ausgebildet, so kann tele­ skopartig eine Verlängerung derselben erfolgen, was hier nicht weiter dargestellt ist, und es können dementsprechend die Nut­ breiten unabhängig voneinander verändert werden. Bei voll aus­ gefahrenem Teleskop können beide Nuten geschlossen werden. Ent­ sprechendes läßt sich auch, was hier ebenfalls nicht darge­ stellt ist, durch eine Aufteilung der Schiebehülse in zwei Hälften und entsprechende axiale Verstellung der Hälften gegen­ einander erreichen.

Durch die Grundkonfiguration, nämlich die Verwendung eines Bypasses 14 ist die in Fig. 1 veranschaulichte Verbreiterung des Verdichterkennfeldes erreichbar.

Der Wirkmechanismus ist dabei derart, daß im Bereich der Pump­ grenze, aufgrund der sich einstellenden Drücke, Luft über die Konturnut 16 in die Ringkammer 17 eintritt und das entspre­ chende Ringvolumen in Richtung auf die Eintrittsnut 15 durch­ strömt, über diese in den Ansaugkanal 12 austritt und so vor dem Radeintritt wieder in den Hauptmassenstrom zurückgeführt wird. Die im Verdichterrad 11 abgezweigte Masse durchläuft also das Bypassvolumen entgegen der Hauptströmungsrichtung und wirkt so auf die im Pumpgrenzenbereich auftretenden Druckschwankungen dämpfend. Durch die Rückströmung und den dadurch entstehenden rezirkulierenden Wirbel ergibt sich im äußeren Radschaufelbe­ reich eine Erhöhung des Verdichterdurchsatzes, der der Ablöse­ neigung bei dem relativ kleinen gesamten Verdichterdurchsatz entgegenwirkt und diese mindert. Es werden so bei den be­ trachteten kleinen Verdichtermassenströmen Strömungsablösungen durch die zu hohen Falschanströmungen des äußeren Schaufelbe­ reiches vermieden.

Im Bereich der Stopfgrenze ergibt sich eine umgekehrte Strö­ mungsrichtung. Die Eintrittsnut 15 bzw. der durch Eintrittsnut 15, Konturnut 16 und Ringkammer 17 bestimmte freie Querschnitt wirkt quasi als Vergrößerung der Verdichtereintrittsfläche, wo­ durch die Schluckkapazität des Verdichters erhöht wird, mit an­ deren Worten die Stopfgrenze zu höheren Durchsätzen hin ver­ schoben wird. Die mit diesen Maßnahmen, insbesondere zwischen den Extrembereichen "Pumpgrenze" und "Stopfgrenze", verbundenen Wirkungsgradnachteile für den Verdichter werden dadurch ver­ mieden, daß Einlaßnut 15 und/oder Konturnut 16 über den Schie­ ber 20 in ihrer Breite jeweils verändert werden können, und zwar sowohl im Hinblick auf die Optimierung im Pumpgrenzen- wie auch im Hinblick auf die Optimierung im Stopfgrenzenbereich, insbesondere aber auch in dem dazwischen liegenden Bereich des Verdichterkennfeldes völlig geschlossen werden können, so daß Wirkungsgradverschlechterungen und durch die Nuten bedingte er­ höhte Geräuschbildung vermieden werden können. Als Kenngrößen für die jeweilige Einstellung der Nutbreiten können pumpencha­ rakteristische Meßgrößen, wie Druck, Schallpegel bzw. kriti­ sche Schwankungen dieser Größen dienen, wobei eine adaptive Einstellung zweckmäßig ist.

Ferner kann auch die Steuerung über ein abgespeichertes, an den jeweiligen Motor angepaßtes, elektronisches Kennfeld für die jeweilige Nutbreite als Funktion des jeweiligen Motorarbeits­ punktes dienen.

Claims (8)

1. Abgas-Turbolader für Brennkraftmaschinen mit Turbine und Verdichter, mit über das vom Abgas beaufschlagte Turbinenrad angetriebenem, im Verdichtergehäuse liegendem, beschaufeltem Verdichterrad, das mit seinem axialen Einlauf im Bereich eines axialen Ansaugkanales liegt, in dem stromauf zum Verdichterrad eine radiale Eintrittsnut, stromab zur Eintrittskante des Ver­ dichterrades und im Überdeckungsbereich zu dessen Einlauf eine radiale Konturnut, und die beiden Nuten axial verbindend eine Ringkammer vorgesehen ist, die gegen den Ansaugkanal durch einen einen Teil der Kanalwand bildenden Ringsteg abgegrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden radialen Nuten (15, 16) in ihrer Breite variabel ist.

2. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zumindest eine der beiden radialen Nuten (15, 16) ver­ schließbar ist.

3. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsnut (15) in ihrer Breite variabel ist.

4. Abgas-Turbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturnut (16) in ihrer Breite variabel ist.

5. Abgas-Turbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein für eine und/oder beide Nuten (15, 16) vorgesehenes Verschlußelement ein axialer Ringschieber (Schiebehülse 20) ist.

6. Abgas-Turbolader nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschieber mehrteilig ausgebildet ist.

7. Abgas-Turbolader nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschieber teleskopisch ausgebildet ist.

8. Abgas-Turbolader nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschieber (Schiebehülse 20) einen zwischen den beiden Nuten (15, 16) liegenden Axialabschnitt der Wandung des Ansaugkanales (17) bildet.