DE19647605A1 - Abgas-Turbolader für Brennkraftmaschinen - Google Patents
Abgas-Turbolader für BrennkraftmaschinenInfo
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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 πv 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.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
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8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: IHI CHARGING SYSTEMS INTERNATIONAL GMBH, 69126 HEI |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140603 |