DE4119657A1

DE4119657A1 - Elektromagnetisch verstellbarer radialverdichter fuer waermekraftmaschinen und seine anwendung in abgasturboladern

Info

Publication number: DE4119657A1
Application number: DE4119657A
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1991-06-14
Publication date: 1992-12-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetisch verstellbaren Radialverdichter und seine Anwendung in Abgasturboladern.

Bei Abgasturboladern findet bisher fast ausschließlich eine Regelung über den Abgasstrom des Verbrennungsmotors (bypass-Regelung) oder über die Verstellung der Turbinenleitschaufeln statt. (vgl. Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch; 20. Aufl.; Düsseldorf 1987).

Eine derartige Regelung ist für Stationärbetrieb entlang der Vollastlinie über der Motordrehzahl besonders günstig.

Für Instationärbetrieb bei Kfz-Verbrennungsmotoren, die einen weiten Drehzahlbereich aufweisen und bei beliebiger Motordrehzahl mit Voll- und Teillast betrieben werden, zeigt sich aber auch bei diesen Regelmethoden eine für Abgasturbolader spezifische Schwäche.

Der Abgasturbolader (ATL) weist im Instationärbetrieb eine Schwäche auf, die als "Turboloch" bekannt ist.

Will man bei gegebener Motordrehzahl aus dem Teillastbereich (geringe Abgastemperatur, geringes Abgasvolumen) in den Vollastbereich (hohe Abgastemperatur, hohe Abgasvolumen) übergehen, dann spricht der Motor erst verzögert an, da der ATL erst "hochlaufen" muß, um den benötigten Ladedruck aufzubauen.

Bei gegebener Turbinengeometrie wird das Aufstauverhalten der Turbine durch das Gasvolumen geprägt.

Das Turbinendruckverhältnis p₃/p₄ des Druckes p₃ vor der Turbine und des Druckes p₄ hinter der Turbine ist somit eine Funktion der Abgasmasse m₃ und der Abgastemperatur T₃.

Die Turbinenleistung P_T gehorcht der Gleichung:

P_T = m_{T *}C_{pa *}T₃_*(1-(p₄/p₃)^((K-1)/K))_*η_T

mit
m_T = Abgasmasse
C_pa = spezifische Wärme
T₃ = Temperatur vor der Turbine
p₃ = Druck vor der Turbine
p₄ = Druck hinter der Turbine
K = Isentropenexponent
η_T = Wirkungsgrad Turbine

Die Verdichterleistung P_v gehorcht der Gleichung:

P_v = (m_v _*ψ_v _*u₂²)/(2_*η_v)

mit
m_v = Luftmasse
ψ_v = Druckziffer
η_v = Wirkungsgrad Verdichter
u₂ = Umfangsgeschwindigkeit Verdichterrad

Nach den Ähnlichkeitsgesetzen für Strömungsmaschinen gehorcht das Drehmoment M_v des Verdichters der Gleichung:

M_v = λ_*ϑ_*D⁵_*ω²

mit
λ = Leistungszahl
ϑ = spez. Fluidgewicht
D = Durchmesser des Verdichterrades (Schaufeldurchm.)
ω = Winkelgeschwindigkeit des Laufrades

Da am ATL Leistungsgleichgewicht von Turbinen- und Verdichterleistung herrscht, gilt unter der Berücksichtigung der Reibleistung P_R die Gleichgewichtsgleichung:

P_v = P_T-P_R

Mit verändertem Gasdruck p₃ vor der Turbine durch:
a) Änderung der Gasmasse durch Änderung der Motordrehzahl oder Änderung der Drosselklappenstellung (Ottomotor)
und/oder
b) Änderung der Abgastemperatur durch Änderung der Brennstoffzufuhr pro Zylinderhub
ändert sich das Turbinendruckverhältnis p₃/p₄ und die Gasmasse m₃ oder die Gastemperatur T₃ in der Gleichung der Turbinenleistung.

Die Verdichterleistung ist aber speziell von der Abgastemperatur völlig unabhängig.

Im Teillastbereich (verringerte Abgastemperatur) wird daher die Drehzahl des ATL sinken und so einen geringeren Ladedruck erzeugen.

Bei unveränderter Motorbelastung spielt der verringerte Ladedruck im Teillastbereich zwar nur eine untergeordnete Rolle, beim schnellen Übergang zu einer höheren Motorbelastung macht sich die Verzögerung durch das Hochlaufverhalten des ATL unangenehm bemerkbar.

Auch eine Verringerung des Trägheitsmomentes des Laufzeugs kann nur geringfügige Verbesserungen bringen.

Aus Untersuchungen von KKK geht hervor, daß eine Halbierung des Trägheitsmoments des Laufzeugs durch Verwendung von Keramikrotoren anstelle von Metallrotoren die "Hochlaufzeit" nur um ca. 30% verkürzt. (vgl. B. Engels/"Verbesserung des Instationärverhaltens von Abgasturboladern"/Seminar "Brennverfahrensentwicklung für direkteinspritzende Dieselmotoren" der Technischen Akademie Wuppertal; Nürnberg 1990)

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung wie sie gekennzeichnet ist ermöglicht durch eine berührfreie Verstellung des Durchmessers der Verdichterschaufeln bei gegebener Verdichterdrehzahl die Leistungsaufnahme und den Ladedruck stufenlos zu ändern und so bei Turboladern über einen Großteil des Betriebsbereichs von Verbrennungsmotoren eine konstante Drehzahl des Turboladerlaufzeugs beizubehalten.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Verstellung der Verdichterschaufeln so erfolgt, daß die Verdichterleistung so an die zur Verfügung stehende Turbinenleistung angepaßt wird, daß eine gewünschte Drehzahl beibehalten wird.

Fig. 1 und 2 dienen der Erläuterung der erfindungsgemäßen Verdichterregelung an einem Angasturbolader.

An einer Innenwelle 60 sind die äußeren Abschnitte der Laderschaufeln 61 fest.

Um die Innenwelle (60) liegt die Außenwelle 63, an welcher die verbreiterten Seitenflächen 64 des Laderrades und das Turbinenrad 62 fest sind.

Durch axiales Verschieben der Innenwelle 60 relativ zur Außenwelle 63 werden die Schaufeln 61 in Schlitze in den Seitenflächen 64 gezogen und so der radiale Durchmesser zwischen den Seitenflächen verändert. Innenwelle und Außenwelle sind somit drehfest, aber axial zueinander verschiebbar verbunden.

Durch axiale Relativverstellung der beiden Wellen ist also der Laderdurchmesser veränderbar.

Die Einstellung dieses Turboladers erfolgt elektromagnetisch und berührfrei.

Mit einer Feder 70 wird die Innenwelle 60 relativ zur Außenwelle 63 in die eine Endposition gedrückt. An der Außenwelle ist ein Permanentmagnetring 71 fest, dessen Nordpol in axialer Richtung gegen den Nordpol eines gehäusefesten, ringförmig um das Weicheisenende der Innenwelle liegenden Elektromagneten 72, 73 liegt. Durch Einstellung der Stärke des Elektromagneten läßt sich die Schaufeleinstellung festlegen.

Je stärker die Anziehungskraft des Elektromagneten, desto stärker wird das Weicheisenende der Innenwelle 60 in den Elektromagneten gezogen. Gleichzeitig stößt aber der Nordpol des Elektromagneten den Nordpol des an der Außenwelle festen Permanentmagneten 70 ab.

Es wird also eine der Federkraft entgegengesetzte, axiale Verschiebekraft zwischen Innen- und Außenwelle erzeugt, ohne daß eine Berührung und damit Reibung zwischen drehenden Elementen und Gehäuse notwendig wird. Innen und Außenwelle kommen in die Relativposition, in der Magnetkraft und Federkraft im Gleichgewicht sind.

Fig. 1 zeigt die Einstellung für Maximalkraft des Elektromagneten, Fig. 2 für Minimalkraft.

Da die Schaufeln bei Turboladern verbunden sind, wird man nur die äußeren Abschnitte verschieben.

Die Regelung erfolgt dann folgendermaßen:

Man nehme an, daß man ein "Hochlaufverfahren des ATL" optimieren will. Dann wird man eine konstante Drehzahl n₀ des ATL über den gesamten Betriebsbereich des Motors anstreben. In diesem Fall spielt dann das Massenträgheitsmoment des Laufzeugs bei Laständerung keine Rolle mehr.

Eine derartige Anpassung allein durch Veränderung des Verdichterdurchmessers wird aufgrund der Gleichgewichtsgleichung des ATL klar.

Zu besseren Anpassungen kann der ATL mit einem "Waste-Gate" versehen sein, welches ab einem gewissen Abgasvolumen einen Teil des Abgasstromes an der Turbine vorbeileitet.

Im Teillastbereich reduziert man dann den Verdichterdurchmesser soweit, daß die verringerte Turbinenleistung P_T bei der angestrebten Laufzeugdrehzahl n₀ im Gleichgewicht mit Reibleistung P_R und der verringerten Verdichterleistung P_v ist.

Will man die Motorleistung schlagartig erhöhen (bei Ladertests erzeugt man diesen Lastsprung bei konstanter Motordrehzahl durch schlagartiges Öffnen einer Drosselklappe), dann wird man gleichzeitig mit dem Öffnen der Drosselklappe bzw. bei Dieselmotoren mit Erhöhen der Einspritzmenge den Verdichterdurchmesser vergrößern.

Damit erreicht man einen schlagartig erhöhten Ladedruck p₂ und eine schlagartig erhöhte Ladungsdichte ₂.

Natürlich wird die derart erhöhte Leistungsaufnahme des Verdichters auf das Laufzeug abbremsend wirken. Im Laufzug ist aber soviel Rotationsenergie gespeichert, daß diese schlagartige Erhöhung der Verdichterleistung erst zu einem allmählichen Absinken der Drehzahl führen würde, analog dem Hochlaufverhalten bisheriger ATL.

Dieses Absinken der Laufzeugdrehzahl wird verhindert durch die dann erhöhte Turbinenleistung.

Bei einem ATL nach diesem Konzept wird es daher keine träge Reaktion durch das Hochlaufen geben.

Ein derartiger, schnell auf Laständerungen reagierender ATL ist daher besonders für Motoren im instationären Betrieb geeignet, wie z. B. Kraftfahrzeugmotoren.

Die Vorteile des Konzeptes gegenüber bekannten regelbaren ATL sind:
- grundlegende Verbesserung des Instationärverhaltens durch Wegfall des "Hochlaufens" des ATL bei Lastwechseln
- keine Eingriffe in den heißen Abgasstrom
- keine Abhängigkeit der Laderdrehzahl von der Turbinenleistung
- Laderegelung in das elektronische Motormanagement eingebunden
- Hochlaufverhalten nach Schubbetrieb kann durch Minimierung der Verdichterleistung verbessert werden.

Claims

1. Radialverdichter für Wärmekraftmaschinen, bei dem der wirksame Durchmesser der Verdichterschaufeln 61 durch Axialverschieben der Schaufeln oder eines Teils der Schaufeln oder der Seitenflächen 64 des Verdichterrades erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines gehäusefesten Elektromagneten 72, 73 und einer an dem Laufzeug festen Verbindung 70 zur Erzeugung einer Rückstellkraft über die Einstellung der Stärke des Elektromagneten die Einstellung des wirksamen Schaufeldurchmessers des Verdichters erfolgt.

2. Radialverdichter unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er der Verdichter eines Abgasturboladers ist.

3. Radialverdichter unter Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er so geregelt wird, daß die Leistungsaufnahme des Verdichters so an die zur Verfügung stehende Leistung der Turbine angepaßt wird, daß das Laufzeug eine gewünschte Drehzahl hat.