WO2019052732A1 - Verdichter für eine aufladevorrichtung einer brennkraftmaschine und aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Verdichter für eine aufladevorrichtung einer brennkraftmaschine und aufladevorrichtung für eine brennkraftmaschine Download PDF

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WO2019052732A1
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compressor
bearing bush
adjusting ring
axis
actuator
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PCT/EP2018/070255
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Mathias BOGNER
Christoph Schäfer
Sasa SLAVIC
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Continental Automotive Gmbh
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    • F16K3/02—Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing with flat sealing faces; Packings therefor
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Compressor for a charging device of an internal combustion engine and charging device for an internal combustion engine
  • the invention relates to a compressor for a charging device of an internal combustion engine and a charging device for an internal combustion engine.
  • Charging devices such as turbochargers are increasingly used for
  • the operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase a pressure in an intake tract of the internal combustion engine and thus to effect a better filling of a combustion chamber of the internal combustion engine with air-oxygen.
  • more fuel such as gasoline or diesel
  • An exhaust gas turbocharger has an exhaust gas turbine arranged in the exhaust gas tract of the internal combustion engine, a fresh air compressor arranged in the intake tract and a rotor bearing arranged therebetween.
  • the exhaust gas turbine has a Turbi ⁇ nengephase and disposed therein, senstrom driven by the turbine impeller Abgasmas-.
  • the fresh air ⁇ compressor includes a compressor housing and it is ⁇ arranged, a boost pressure anabolic compressor impeller.
  • the turbine runner and the compressor runner are rotationally fixed on the opposite ends of a common shaft, the so-called rotor shaft, thus forming the so-called turbocharger rotor.
  • the rotor shaft extends axially between turbine runner and compressor runner through the arranged between the exhaust turbine and fresh air compressor Rotor bearing and is rotatably mounted in this, with respect to the Läuferwel ⁇ lenachse, radially and axially.
  • driven by the exhaust gas mass flow turbine impeller drives the compressor impeller via the rotor shaft, whereby the pressure in the intake tract of the internal combustion engine, based on the
  • Air-oxygen is effected.
  • the compressor is characterized in its operating behavior by a so-called compressor map, which describes the pressure build-up on the mass flow rate for different compressor speeds or peripheral speeds.
  • a stable and usable map of the compressor is limited by the so-called surge limit to low flow rates, by the so-called Stopfalia towards higher flow rates and structural mechanics by the maximum speed limit.
  • a compressor is selected with a compression map that is as favorable as possible for the internal combustion engine.
  • the blade Vorleitapparat shifts the entire compressor map to smaller or larger throughputs by adjusting blade angles and inducing a Vordralls in or against the Verêtrradformatraum.
  • the adjustment of the Vorleitapparats represents a filigree, complicated and expensive solution.
  • the cross-sectional reduction of compressor inlet displacement moves the compressor map to smaller flow rates by reducing the inlet area by closing the structure immediately prior to the compressor. In the open state, the measures release as much as possible the entire inlet cross-section and thus do not influence or displace the map in any way or only marginally. Possible, such solutions are described in ⁇ example in US 2016/265424 AI or DE 102011121996 AI.
  • a so-called diverter valve which opens a bypass from the compressor outlet to the compressor inlet in case of sudden decrease of the charge air mass flow through the engine and keeps the compressor in the stable map area right of the surge line.
  • a combination of active measures, such as the variable Vorleitapparat and the diverter valve, is conceivable, but unusual.
  • An object of the invention is to provide a concept for a charging device which contributes to an efficient operation of the charging device.
  • a compressor such as a centrifugal compressor, for a supercharger of an internal combustion engine.
  • the compressor has a compressor wheel, which is arranged rotationally fixed on a rotatably mounted rotor shaft.
  • the compressor has an air supply passage for directing an air mass flow to the compressor wheel.
  • the compressor includes a current ⁇ up before the compressor arranged Irisblendenme- on which has a plurality adjustable via a rotatably mounted adjusting ring slats for closing or opening a diaphragm opening, so that a flow cross-section for the air mass flow to flow against the compressor impeller is variably adjustable.
  • the compressor has an actuator with an actuator shaft which is mechanically coupled to the adjusting ring for transmitting a torque of the actuator shaft to the Ver ⁇ collar for rotating the adjusting ring.
  • a pivotable coupling pin is arranged eccentrically on the actuator shaft and has a bearing bush displaceable along a longitudinal axis of the coupling pin.
  • the bearing bush is, for example, a plain bearing bush.
  • the bearing bush is slidably mounted between two fingers of a control lever of the adjusting ring along the fingers on the fingers.
  • An outer contact surface of the bearing bush is spherical. ⁇ inner contact upper surfaces of the two fingers are formed corresponding to the step sphe ⁇ outer contact surface of the bearing sleeve is cylindrical and are in sliding contact with the outer contact surface of the bearing bush.
  • the compressor for the supercharger provides a variable iris mechanism, which is typically located directly in front of the compressor inlet for map shifting.
  • the iris diaphragm mechanism can also be referred to as iris diaphragm or iris throttle and has the task of adjusting the inlet mass flow of the compressor by stepless change of the flow cross section.
  • the iris choke acts as a kind of masking of an outer area of the compressor inlet. With increasing throttling, that is, cross-sectional constriction, the iris restrictor simultaneously takes over the role of a diverter valve, as it can terbinden a pump of the compressor un ⁇ .
  • the iris mechanism has a plurality of mutually displaceable by rotation in ⁇ lamellae.
  • the iris diaphragm mechanism is mounted on or in a fixed housing. Each lamella is supported on the one hand in or on the stationary housing and on the other hand on a movably mounted adjusting ring.
  • the housing is, for example, a separate housing of the iris diaphragm mechanism, part of the compressor housing of the charging device or designed in several parts, for example through a part of the compressor housing and a separate, additional housing part.
  • the housing is, for example, annularly formed ⁇ or has an annular portion.
  • the slats are synchronized via the adjusting ring and moved together. By rotation of the adjusting ring and the rotation of the slats is triggered. Upon rotation of the slats parallel to the axis of rotation of the compressor wheel, the slats pivot radially inwards and thus lead to a desired narrowing of the flow cross-section directly in front of the compressor wheel.
  • the Ver ⁇ collar itself is controlled and moved via the actuator.
  • the actuator is for example an electrically or pneumatically operated actuator.
  • a lamella has a substantially plate-shaped and / or flat lamella base body, which serves for the shielding of the air mass flow and thus the adjustment of the aperture.
  • a lamella For mounting on the housing and adjusting ring, a lamella has approximately two holding elements (also actuating elements), which are arranged, for example, in each case in a fastening section of the lamella base body.
  • a holding element is designed for example as a holding pin or pin-shaped holding body.
  • a retaining member typically extends normal to a main plane of extension Lamellengrundkör ⁇ pers.
  • the attachment portions may be formed, for example, as a first and a second end, or as a first or second end portion of the respective lamella.
  • the two fastening sections of a lamella typically have ⁇ as same wall thicknesses. ⁇
  • the air supply passage is formed in the compressor.
  • the air supply duct is at least partially formed by the compressor housing, the iris diaphragm mechanism, an on ⁇ intake manifold and / or other components of the compressor.
  • the compressor further provides a particularly efficient and advantageous mechanical coupling of the actuator with the Ver ⁇ collar for actuating it.
  • the spherical, approximately spherical, trained bushing it is possible to precisely transmit the torque generated by the actuator to the adjusting ring at each operating point, without causing additional forces or resistances on the iris diaphragm mechanism itself or other components of the compressor.
  • ⁇ sondere carries the coupling according to the invention with the adjusting ring to the fact that a relatively low torque is required for controlling the adjusting ring.
  • a particularly low wear of the mechanism and the coupling is contributed.
  • Another advantage is that a production Exactly ⁇ accuracy of the fingers of the adjusting lever, the bearing bush and the coupling pin not particularly high, but comparable on the contrary 0
  • the described Me ⁇ mechanism contributes to not transmit axial forces by the actuator on the adjusting ring.
  • the axial forces are those forces which would act axially with respect to an axis of rotation of the adjusting ring. This contributes to a longevity and a low probability of failure of the described coupling and thus ultimately also of the compressor and thus of a charging device.
  • the bearing bush itself is mounted longitudinally displaceable on the coupling pin, approximately along a rotation axis or longitudinal axis of the example zy ⁇ - cylindrical coupling pin.
  • the bearing bush is arranged captive on the coupling pin in the ge ⁇ coupled state.
  • an axial securing element such as a locking ring, before ⁇ be seen to hold the bearing bush on the coupling pin.
  • the coupling pin itself is additionally slidably and / or slidably supported by the bearing bushing along the fingers of the adjusting lever.
  • the coupling pin is slidably and / or slidably mounted relative to the fingers along a displacement direction perpendicular to a longitudinal axis of the coupling pin or along a direction of displacement perpendicular to a rotational axis of the actuator shaft.
  • the adjusting lever via the fingers due to the spherical / cylindrical contact with the bearing bush about a perpendicular to the longitudinal axis of the coupling pin axis of rotation is rotatable relative to each other.
  • Axis of rotation corresponds, for example a common ge ⁇ covered cylinder axis of the cylindrically shaped contact surfaces of the fingers.
  • the coupling pin upon actuation of the actuator shaft, can be displaced relative to the fingers in two translatory directions via the bearing bush or against these glide and additionally rotate relative to the fingers.
  • the coupling thus provides at least three degrees of freedom.
  • the bearing bush is rotatably mounted about the longitudinal axis of the coupling pin. This further contributes to the above advantages and functions. In particular, this makes it possible for the bearing bush to roll along the fingers along the fingers during longitudinal displacement. This reduces frictional wear.
  • the coupling thus provides four degrees of freedom, two rotational and two translational.
  • an axis of rotation of the actuator shaft and an axis of rotation of the adjusting ring do not intersect. This allows a particularly flexible usability of the compressor, depending on the spatial and structural
  • the axes of rotation of the actuator shaft and the adjusting ring are aligned perpendicular to each other.
  • the coupling pin move in a first plane of rotation and the adjusting ring in a second plane of rotation, wherein the two planes of rotation are perpendicular to each other.
  • a mating dimension between the inner contact surfaces of the fingers and the outer contact surface of the bearing bush is constant. This contributes to a uniform and low wear on the operation of the mechanism. In particular, due to the many degrees of freedom in the storage of the coupling pin on the adjusting ring is made possible that the gap remains constant. This allows a constant power transmission in each operating point of the adjustment mechanism.
  • a transition fit is formed between the inner contact surfaces of the fingers and the outer contact surface of the bearing bush. As a result, only a slight or even no gap dimension between the two mentioned elements is provided. For example, the two elements overlap. Thereby, a tight fit between the two elements can be achieved, so that, for example, particularly low or no noise emissions and vibrations when operating the mechanism arise (keyword NVH, English: noise, vibration and harshness).
  • a securing element such as a locking ring, arranged on the coupling pin to secure the sliding bearing bushing on the coupling pin.
  • the bearing bush has a
  • Plastic material comprises or consists of this.
  • an acoustic transmission behavior and damping properties are significantly improved because a contact between moving parts takes place, for example, only between plastic and metal.
  • the charging device is thus designed, for example, as an exhaust-gas turbocharger which has an exhaust gas turbine for driving the compressor impeller of the compressor or is alternatively designed as an electromotive-operated supercharger (also called an e-booster) which has an electromotive drive for driving the compressor wheel ,
  • the charging device can also be designed as a supercharger operated via a mechanical coupling with the internal combustion engine be educated.
  • a coupling between the internal combustion engine and the centrifugal compressor can take place, for example, by means of an intermediate gear which is in operative connection on the one hand with a rotating shaft of the internal combustion engine and on the other hand with the rotor shaft of the centrifugal compressor.
  • the charging device essentially enables the aforementioned advantages and functions.
  • the compressor described above is suitable in all embodiments both for an exhaust gas turbocharger, in which, as explained above, a turbine is driven by an exhaust gas mass flow or for an electromotive-operated loader.
  • An electromotive-operated charger or a charging device with an electromotive-operated charger is also referred to as a so-called e-booster or e-compressor.
  • Figures 4A and 4B the assembly in accordance with an execution ⁇ example of the invention in an open state and a closed state
  • Figures 5A and 5B are side views of the assembly in the open state and in the closed state
  • FIG. 1 schematically shows an example of a charging device 1 in sectional view, which comprises a compressor 30 (in this case a radial compressor), a rotor bearing 40 and a drive unit 20.
  • the compressor 30 has an optional thrust recirculation valve (not shown) and on
  • Air mass flow LM is also indicated by arrows.
  • a so-called supercharger 10 of the charging device 1 has a compressor impeller 13 (also called compressor impeller) and a rotor shaft 14 (also called shaft).
  • the loader rotor 10 rotates in operation about a rotor axis of rotation 15 of the rotor shaft 14.
  • the rotor axis 15 and at the same time the loader axis 2 are represented by the drawn center line and indicate the axial orientation of the charging device 1.
  • the charger rotor 10 is with his Rotor shaft 14 by means of two radial bearings 42 and a thrust washer 43 stored. Both the radial bearing 42 and the thrust washer 43 are supplied via oil supply channels 44 of an oil port 45 with lubricant.
  • a charging device 1 as shown in Figure 1, a multi-part construction.
  • a housing of the drive unit 20 a in the intake system of the Ver ⁇ brennungsmotors which can be arranged the compressor housing 31 and between the housing of the drive unit 20 and compressor ⁇ housing 31 provided rotor bearing 40 with respect to the common charger axis 2 arranged side by side and assembly connected to one another, wherein alternative arrangements and configurations of drive units and rotor bearings are possible.
  • Another unit of the charging device 1 is the loader rotor 10, the at least the rotor shaft 14 and the in The compressor housing 31 has arranged compressor impeller 13 with an impeller blading 131.
  • the compressor impeller 13 is disposed on one end of the rotor shaft 14 and rotatably connected thereto.
  • the rotor shaft 14 extends in the direction of the loader axis 2 axially through the bearing housing 41 and is rotatably mounted therein axially and radially about its longitudinal axis, the rotor axis of rotation 15, wherein the rotor axis of rotation 15 is in the loader axis 2, that coincides with this.
  • the compressor housing 31 has an air supply duct 36, which optionally has a suction pipe connecting piece 37 for connection to the air suction system (not shown) of the internal combustion engine and in the direction of the loader axis 2 to the axial end of the compressor impeller 13 to.
  • the air supply duct 36 may also be part of an intake manifold and thus not part of the compressor housing 31.
  • the air supply duct 36 connects, for example, to the compressor housing 31 and forms a compressor inlet 36a for directing the air mass flow LM onto the compressor rotor 13.
  • the compressor housing 31 usually has a ring-shaped arranged about the loader axis 2 and the compressor impeller 13, helically widening away from the compressor impeller 13 away annular channel, a so-called spiral channel 32 on.
  • This spiral channel 32 has a gap opening extending at least over part of the inner circumference
  • the so-called diffuser 35 which extends in the radial direction from the outer periphery of the compressor impeller 13 directed away into the spiral channel 32 into and through the
  • the spiral channel 32 further has a tangentially outwardly directed Heilab technologicalkanal 33 with an optional distri ⁇ ler connector 34 for connection to an air manifold (not shown) of an internal combustion engine.
  • the air mass flow LM is passed under increased pressure in the air manifold of the engine.
  • the drive unit 20 is not detailed in Figure 1 and can be used both as an exhaust gas turbine and as an electric motor drive unit or as a mechanical coupling with the internal combustion engine, for. B. as an intermediate gear, which is in operative connection with a rotating shaft of the internal combustion engine, what the charging device 1 in one case to an exhaust gas turbocharger and in the other case to an electric motor-operated charger also referred to as e-booster or e-compressor, or to a mechanical loader.
  • a turbine impeller would be opposite the compaction ⁇ terrads 13, for example, (also referred to the turbine wheel) are provided, which would also arranged rotatably on the rotor shaft 14 and driven by an exhaust gas mass flow.
  • an iris diaphragm mechanism 50 is additionally or alternatively arranged to a diverter valve (see FIG. 1) in the air supply duct 36 immediately before a compressor inlet 36a (also compressor inlet) and / or forms at least one
  • the Irisblen ⁇ mechanism 50 is similar in terms of its principle of operation of an iris diaphragm in a camera.
  • the Irisblendenmecha ⁇ mechanism 50 is adapted to at least partially close or open an aperture, so that a flow cross-section for the air mass flow LM for flow of the compressor impeller 13 is variably adjustable at least over a partial region of the flow cross-section.
  • the iris diaphragm mechanism 50 enables a characteristic field shift for the compressor 30 in which it acts as a variable intake throttle for the compressor wheel. 13
  • FIGS. 2A to 2C schematically show the iris diaphragm mechanism 50 of the charging device 1 in three different operating modes. states.
  • the iris diaphragm mechanism 50 is fixed to or in the compressor housing 31 and / or forms this at least partially.
  • the iris diaphragm mechanism 50 is supported on or in a separate fixed housing for the iris diaphragm mechanism 50.
  • the iris mechanism at 50 on or stored in a multi-part housing, wherein a portion of the multi-part housing through the compressor housing 31 and a part by an additional se ⁇ parates housing (element) is formed.
  • the iris diaphragm mechanism 50 has a bearing ring 68 which is concentric with the compressor inlet 36a in the air supply duct 36, has an adjusting ring 53 concentric therewith, rotatable about a common center, with a control lever 53a and several louvres 52 rotatably mounted about a respective pivot point in the bearing ring 68.
  • a bearing ring 68 may also be used.
  • Compressor housing 31 or another housing (element) serve as a bearing.
  • the lamellae 52 have, for example, a plate-shaped lamellar base body and at least one pin-shaped actuating element (not visible here), which is designed to actuate the respective lamella 52, as integral components of the respective lamella 52.
  • the slats 52 are also rotatable and / or displaceable, for example by means of the actuating element, out.
  • the adjusting ring 53 has three grooves 54 (indicated in the figures) for supporting / guiding the slats 52.
  • the slats 52 are synchronized and moved.
  • the adjusting ring 53 is mounted for example on or in the housing.
  • the slats 52 are pivoted radially inwardly and narrow an aperture 55 of the iris diaphragm mechanism 50.
  • FIG. 2A shows the diaphragm opening 55 with a maximum opening width (open position)
  • FIG. 2B shows the diaphragm opening 55 with a reduced opening width
  • FIG. 2C shows the aperture 55 with a minimum opening width (closed position).
  • FIG. 3 shows an assembly 60 with an iris diaphragm mechanism 50 and an actuator 61 according to the exemplary embodiment of FIG Invention in a perspective, partially broken view.
  • the assembly 60 is for example part of the compressor 30 of the charging device 1 described with reference to FIGS. 1 and 2A to 2C.
  • FIGS. 4 to 6 show the assembly 60 in perspective views, side views and partially cut-away views, the suffixes "a" and "b" each represent the open position and closed position of the iris diaphragm mechanism 50 described above.
  • the actuator 61 has a rotatable actuator shaft 62.
  • a coupling rod 63 is rotatably disposed, on which in turn eccentrically to the actuator shaft, a coupling pin 64 is arranged.
  • the coupling pin 64 may otherwise be coupled in a rotationally fixed manner to the actuator shaft. Upon actuation of the actuator shaft 63, this rotates about an actuator rotation axis 65.
  • the actuator 61 is mechanically coupled by means of the coupling pin 64 with the adjusting ring 53.
  • the coupling pin 64 Upon actuation of the actuator shaft 62, the coupling pin 64 is rotated about the Aktuatordusachse 65 and thus actuates the adjusting ring 53 of the iris diaphragm mechanism 50.
  • the adjusting ring 53 is rotatably mounted about an axis of rotation 68.
  • the axis of rotation 68 coincides, for example, with the aforementioned rotor axis of rotation 15.
  • the bearing bush has an outer contact upper ⁇ surface 71 which is spherical.
  • the bearing bush 66 have opposing inner contact surfaces 72, which are formed corresponding to the spherical outer contact surface of the bearing bush 66 and have a cylindrical shape.
  • a radius of the inner contact surface 72 ent ⁇ speaks substantially the radius of the spherical outer contact surface 71 of the bearing bush 66.
  • the axis of rotation 73 extends between the two fingers 67 perpendicular to the Aktuatorfurachse 65 and / or the longitudinal axis 69 of the coupling pin 64.
  • the rotation axis 73 corresponds to a Zy ⁇ linderachse of the cylindrical contact surfaces 72 which extends through a center of the radius in cross section.
  • the coupling pin 64 can rotate about the rotation axis 73 via the bearing bush 66 guided in the fingers 67 relative to the fingers 67 and thus the adjusting lever 53a.
  • the bushing 66 itself can due to the spherical shape and the Guide in the fingers 67 are not released in the assembled state of the coupling pin 64.
  • the bearing bush 66 can be secured on the coupling pin 64 with the aid of a securing element or securing ring.
  • the described compressor 30 does not necessarily have to be part of the charging device 1 described by way of example in FIG. Rather, the charging device 1 can also be designed differently.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdichter (30) für eine Aufladevorrichtung (1) einer Brennkraftmaschine. Stromaufwärts vordem Verdichterrad (13) ist ein Irisblendenmechanismus (50) angeordnet. Es ist ein Aktuator (61) vorgesehen, der mechanisch mit einem Verstellring (53) des Irisblendenmechanismus (50) zum Übertragen eines Drehmoments einer Aktuatorwelle (62) auf den Verstellring (53) zum Verdrehen des Verstellrings (53) gekoppelt ist. An der Aktuatorwelle (62) ist exzentrisch ein verschwenkbarer Koppelstift (64) angeordnet, der eine entlang einer Längsachse des Koppelstifts (64) verschiebbare Lagerbuchse (66) aufweist. Die Lagerbuchse (66) ist zwischen zwei Fingern (67) eines Stellhebels (53a) des Verstellrings (53) verschiebbar entlang der Finger (67) an den Fingern (67) gelagert. Eine äußere Kontaktoberfläche (71) ist der Lagerbuchse (66) sphärisch ausgebildet. Innere Kontaktoberflächen (72) der beiden Finger (67) sind korrespondierend zu der sphärischen äußeren Kontaktoberfläche (71) der Lagerbuchse (66) zylindrisch ausgebildet und stehen in Gleitkontakt mit der äußeren Kontaktoberfläche (71) der Lagerbuchse (66). Die Erfindung betrifft auch eine Aufladevorrichtung (1).

Description

Beschreibung
Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine und Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine und eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Aufladevorrichtungen wie Abgasturbolader werden vermehrt zur
Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel, den
Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in
Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den C02_Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen, um einen Druck in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung eines Brennraumes des Verbrennungsmotors mit Luft-Sauerstoff zu bewirken. Somit kann mehr Treibstoff, wie Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umgesetzt werden, also die Leistung des Verbrennungsmotors erhöht werden. Ein Abgasturbolader weist eine im Abgastrakt des Verbrennungsmotors angeordnete Abgasturbine, einen im Ansaugtrakt angeordneten Frischluftverdichter und ein dazwischen angeordnetes Läuferlager auf. Die Abgasturbine weist ein Turbi¬ nengehäuse und ein darin angeordnetes, durch den Abgasmas- senstrom angetriebenes Turbinenlaufrad auf. Der Frischluft¬ verdichter weist ein Verdichtergehäuse und ein darin ange¬ ordnetes, einen Ladedruck aufbauendes Verdichterlaufrad auf . Das Turbinenlaufrad und das Verdichterlaufrad sind auf den sich gegenüberliegenden Enden einer gemeinsamen Welle, der soge- nannten Läuferwelle, drehfest angeordnet und bilden so den sogenannten Turboladerläufer. Die Läuferwelle erstreckt sich axial zwischen Turbinenlaufrad und Verdichterlaufrad durch das zwischen Abgasturbine und Frischluftverdichter angeordnete Läuferlager und ist in diesem, in Bezug auf die Läuferwel¬ lenachse, radial und axial drehgelagert. Gemäß diesem Aufbau treibt das vom Abgasmassenstrom angetriebene Turbinenlaufrad über die Läuferwelle das Verdichterlaufrad an, wodurch der Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, bezogen auf den
Frischluftmassenstrom hinter dem Frischluftverdichter, erhöht und dadurch eine bessere Befüllung des Brennraumes mit
Luft-Sauerstoff bewirkt wird. Der Verdichter ist in seinem Betriebsverhalten charakterisiert durch ein sogenanntes Verdichterkennfeld, das den Druckaufbau über den Massendurchsatz für verschiedene Verdichterdrehzahlen oder Umfangsgeschwindigkeiten beschreibt. Ein stabiles und nutzbares Kennfeld des Verdichters wird begrenzt durch die sogenannte Pumpgrenze hin zu niedrigen Durchsätzen, durch die sogenannte Stopfgrenze hin zu höheren Durchsätzen und strukturmechanisch durch die maximale Drehzahlgrenze. Beim Anpassen einer Aufladevorrichtung wie dem Abgasturbolader an einen Verbrennungsmotor wird ein Verdichter mit für den Verbren- nungsmotor möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausgewählt.
Hierbei sollten folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- Eine Motorvolllastlinie soll komplett innerhalb des nutzbaren
Verdichterkennfelds liegen;
- vom Fahrzeughersteller geforderte Mindestabstände zu den Kennfeldgrenzen sollen eingehalten werden;
- maximale Verdichterwirkungsgrade sollen bei Nennlast und in einem Bereich eines unteren Eckdrehmomentes des Verbrennungsmotors vorliegen; und
- das Verdichterrad soll ein minimales Trägheitsmoment haben. Die gleichzeitige Erfüllung aller genannten Voraussetzungen wäre mit einem herkömmlichen Verdichter ohne Zusatzmaßnahmen nur eingeschränkt möglich. Beispielsweise würden sich folgende Zielkonflikte durch gegenläufige Trends ergeben:
- Reduktion des Trägheitsmoments des Verdichters und Maximierung der Kennfeldbreite und des Spitzenwirkungsgrades,
- Reduktion des Spülens im Bereich des unteren Eckdrehmoments und Maximierung der spezifischen Nennleistung, - Verbesserung des Ansprechverhaltens und Erhöhung der spe¬ zifischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.
Die genannten Zielkonflikte könnten durch ein Verdichter-Design gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Träg¬ heitsmoment sowie maximale Wirkungsgrade auf der Volllastlinie des Motors aufweist.
Neben den genannten stationären Anforderungen muss auch bei transienten Betriebszuständen, zum Beispiel bei einem schnellen Lastabwurf des Verbrennungsmotors, ein stabiles Betriebsver¬ halten des Verdichters gewährleistet sein. Dies heißt, dass der Verdichter auch bei einer plötzlichen Abnahme des geförderten Verdichtermassenstroms nicht ins sogenannte Pumpen gelangen darf.
Mit Einschränkung auf den Verdichtereinlass eines Abgastur¬ boladers ist die oben genannte Lösung bisher durch Zusatzmaßnahmen, wie einem verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat , Maßnahmen zur Reduktion eines Einlassquerschnitts des Ver¬ dichters oder einem festen Rezirkulationskanal , auch bekannt als Ported Shroud beziehungsweise kennfeidstabilisierende Maßnahme, erreicht worden. Bei den variablen Lösungen wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereiches des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Mo¬ torbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nach links hin zu niedrigen Massenströmen verschoben, während im Motorbetrieb bei hohen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nicht oder nach rechts verschoben wird.
Der Schaufel-Vorleitapparat verschiebt durch die Einstellung von Schaufelwinkeln und Induktion eines Vordralls in beziehungsweise gegen die Verdichterraddrehrichtung das gesamte Verdichter- kennfeld hin zu kleineren beziehungsweise größeren Durchsätzen. Der Verstellmechanismus des Vorleitapparats stellt jedoch eine filigrane, komplizierte und teure Lösung dar. Die Maßnahmen mit Verengung des Verdichtereinlasses durch Querschnittsreduktion verschieben das Verdichterkennfeld hin zu kleineren Durchsätzen, in dem der Einlassquerschnitt durch Schließen der Konstruktion unmittelbar vor dem Verdichter verkleinert wird. Im geöffneten Zustand geben die Maßnahmen möglichst den gesamten Einlassquerschnitt wieder frei und beeinflussen beziehungsweise verschieben so das Kennfeld nicht oder nur marginal. Mögliche, derartige Lösungen sind bei¬ spielsweise in der US 2016/265424 AI oder der DE 102011121996 AI beschrieben.
Bei dem festen Rezirkulationskanal handelt es sich um eine passive Lösung. Er verbreitert den nutzbaren Kennfeldbereich des Verdichters ohne dessen Kennfeld grundsätzlich zu verschieben. Er stellt im Verhältnis zum Vorleitapparat und der beschriebenen variablen Querschnittsreduktion eine deutlich günstigere, aber gleichzeitig weniger effiziente Lösung dar.
Zur Vermeidung des Pumpens bei einem schnellen Lastabwurf wird gewöhnlich ein sogenanntes Schubumluft-Ventil eingesetzt, das im Falle der plötzlichen Abnahme des Ladeluftmassenstroms durch den Motor einen Bypass vom Verdichteraustritt zum Verdichtereintritt öffnet und so den Verdichter im stabilen Kennfeldbereich rechts von der Pumpgrenze hält. Eine Kombination aus aktiven Maßnahmen, wie dem variablen Vorleitapparat und dem Schubumluft-Ventil, ist denkbar, aber unüblich.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für eine Aufladevorrichtung anzugeben, welches zu einem effizienten Betrieb der Aufladevorrichtung beiträgt.
Es wird ein Verdichter, etwa ein Radialverdichter, für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine offenbart. Der Verdichter weist ein Verdichterrad auf, welches drehfest auf einer drehgelagerten Läuferwelle angeordnet ist. Der Verdichter weist einen Luftzuführkanal zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad auf. Der Verdichter weist einen strom¬ aufwärts vor dem Verdichterrad angeordneten Irisblendenme- chanismus auf, der mehrere über einen drehbar gelagerten Verstellring verstellbare Lamellen zum Schließen oder Öffnen einer Blendenöffnung aufweist, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrads va- riabel einstellbar ist. Der Verdichter weist einen Aktuator mit einer Aktuatorwelle auf, der mechanisch mit dem Verstellring zum Übertragen eines Drehmoments der Aktuatorwelle auf den Ver¬ stellring zum Verdrehen des Verstellrings gekoppelt ist. Zur mechanischen Kopplung ist an der Aktuatorwelle exzentrisch ein verschwenkbarer Koppelstift angeordnet, der eine entlang einer Längsachse des Koppelstifts verschiebbare Lagerbuchse aufweist. Bei der Lagerbuchse handelt es sich beispielsweise um eine Gleitlagerbuchse. Die Lagerbuchse ist zwischen zwei Fingern eines Stellhebels des Verstellrings verschiebbar entlang der Finger an den Fingern gelagert. Eine äußere Kontaktoberfläche der Lagerbuchse ist sphärisch ausgebildet. Innere Kontaktober¬ flächen der beiden Finger sind korrespondierend zu der sphä¬ rischen äußeren Kontaktoberfläche der Lagerbuchse zylindrisch ausgebildet und stehen in Gleitkontakt mit der äußeren Kon- taktoberfläche der Lagerbuchse.
Der Verdichter für die Aufladevorrichtung sieht einen variablen Irisblendenmechanismus vor, der typischerweise direkt vor dem Verdichtereinlass zur Kennfeldverschiebung angeordnet ist. Der Irisblendenmechanismus kann auch als Irisblende oder Irisdrossel bezeichnet werden und hat die Aufgabe, den Einlassmassenstrom des Verdichters durch stufenlose Veränderung des Strömungsquerschnitts einzustellen. Die Irisdrossel wirkt dabei wie eine Art Maskierung eines äußeren Bereichs des Verdichtereinlasses. Bei zunehmender Drosselung, das heißt Querschnittsverengung, übernimmt die Irisdrossel gleichzeitig die Aufgabe eines Schubumluft-Ventils, da sie ein Pumpen des Verdichters un¬ terbinden kann. Dadurch ist es möglich, den Betriebsbereich des Verdichters aktiv zu beeinflussen und zusätzlich den Verdichter bei einem plötzlichen Lastabwurf des Motors in einem stabilen Betriebspunkt zu halten. Der Irisblendenmechanismus weist mehrere, durch Drehung in¬ einander verschiebbare Lamellen auf. Der Irisblendenmechanismus ist an oder in einem feststehenden Gehäuse gelagert. Jede Lamelle ist einerseits in beziehungsweise an dem feststehenden Gehäuse und andererseits an einem bewegbar gelagerten Verstellring gelagert. Das Gehäuse ist beispielsweise ein separates Gehäuse des Irisblendenmechanismus, Teil des Verdichtergehäuses der Aufladevorrichtung oder mehrteilig ausgebildet, etwa durch einen Teil des Verdichtergehäuses und ein separates, zusätzliches Gehäuseteil. Das Gehäuse ist beispielsweise ringförmig aus¬ gebildet oder hat einen ringförmigen Abschnitt. Die Lamellen werden über den Verstellring synchronisiert und gemeinsam bewegt. Durch Drehung des Verstellrings wird auch die Drehung der Lamellen ausgelöst. Bei einer Drehung der Lamellen parallel zur Drehachse des Verdichterrads schwenken die Lamellen radial nach innen und führen so zu einer gewünschten Verengung des Strömungsquerschnittes direkt vor dem Verdichterrad. Der Ver¬ stellring selbst wird über den Aktuator angesteuert und bewegt. Der Aktuator ist beispielsweise ein elektrisch oder pneumatisch betriebener Steller.
Eine Lamelle hat einen im Wesentlichen plattenförmigen und/oder flachen Lamellengrundkörper, der für die Abschirmung des Luftmassenstroms und somit der Einstellung der Blendenöffnung dient. Für die Lagerung am Gehäuse und Verstellring weist eine Lamelle etwa zwei Halteelemente (auch Betätigungselemente) auf, die beispielsweise jeweils in einem Befestigungsabschnitt des Lamellengrundkörpers angeordnet sind. Ein Halteelement ist beispielsweise als Haltestift oder stiftförmiger Haltekörper ausgebildet. Ein Halteelement erstreckt sich typischerweise normal zu einer Haupterstreckungsebene des Lamellengrundkör¬ pers. Die Befestigungsabschnitte können beispielsweise als ein erstes und ein zweites Ende oder als ein erster beziehungsweise zweiter Endbereich der jeweiligen Lamelle ausgebildet sein. Die beiden Befestigungsabschnitte einer Lamelle haben typischer¬ weise gleiche Wandstärken. ^
Der Luftzuführkanal ist in dem Verdichter ausgebildet. Bei¬ spielsweise ist der Luftzuführkanal zumindest teilweise durch das Verdichtergehäuse, den Irisblendenmechanismus, einen An¬ saugstutzen und/oder andere Komponenten des Verdichters aus- gebildet.
Der Verdichter sieht weiter eine besonders effiziente und vorteilhafte mechanische Kopplung des Aktuators mit dem Ver¬ stellring zur Betätigung dessen vor. Mittels der sphärisch, etwa kugelförmig, ausgebildeten Lagerbuchse ist es möglich, das von dem Aktuator erzeugte Drehmoment auf den Verstellring in jedem Betriebspunkt präzise zu übertragen, ohne dabei zusätzliche Kräfte oder Widerstände auf den Irisblendenmechanismus selbst oder andere Komponenten des Verdichters zu bewirken. Insbe¬ sondere trägt die erfindungsgemäße Kopplung mit dem Verstellring dazu bei, dass ein vergleichsweise geringes Drehmoment zum Steuern des Verstellrings benötigt wird. Zusätzlich wird zu einem besonders geringen Verschleiß des Mechanismus und der Kopplung beigetragen. Durch die Führung der sphärischen, etwa kugelförmigen, Buchse an korrespondierenden Zylinderflächen mit in etwa gleichem Radius ist ein Liniengleitkontakt bewirkt, der sich wegen geringerer Hertzscher Pressung vorteilhaft gegenüber einer reinen Punktkontaktierung zeigt. Ein weiterer Vorteil der beschrieben Kopplung liegt darin, dass sich Drehachsen der Aktuatorwelle und des Verstellrings nicht zwingend schneiden müssen. Es sind somit Ausführungsformen denkbar, bei der sich diese Achsen schneiden oder nicht. Des Weiteren ist es nicht zwingend notwendig, dass die beiden zuvor genannten Achsen in einem 90° Winkel zueinander ausgerichtet sind. Es sind auch andere Winkel kleiner 90° denkbar. Bei derartigen Winkeln handelt es sich um den kleinsten zwischen den beiden Achsen ausgebildeten Winkel. Dadurch kann beispielsweise auf Bauraum bedingte Zwänge oder Vorgaben Rücksicht genommen werden.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine Fertigungsgenau¬ igkeit der Finger des Stellhebels, der Lagerbuchse und des Koppelstifts nicht besonders hoch, sondern im Gegenteil ver- 0
o
gleichsweise ungenau hinsichtlich der Fertigungstoleranzen sein kann. Dadurch können Produktions- und Herstellungskosten gesenkt werden . Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der beschriebene Me¬ chanismus dazu beiträgt keine Axialkräfte durch den Aktuator auf den Verstellring zu übertragen. Bei den Axialkräften handelt es sich um solche Kräfte, die axial bezüglich einer Drehachse des Verstellrings wirken würden. Dies trägt zu einer Langlebigkeit und einer geringen Ausfallwahrscheinlichkeit der beschriebenen Kopplung und somit letztlich auch des Verdichters und somit einer Aufladevorrichtung bei.
Die Vorteile sind dadurch bewirkt, dass die Lagerbuchse selbst längsverschieblich an dem Koppelstift gelagert ist, etwa entlang einer Rotationsachse bzw. Längsachse des beispielsweise zy¬ lindrischen Koppelstifts. Die Lagerbuchse ist dabei im ge¬ koppelten Zustand unverlierbar auf dem Koppelstift angeordnet. Zusätzlich kann optional für die Montage oder auch für den Betrieb ein axiales Sicherungselement, etwa ein Sicherungsring, vor¬ gesehen sein, um die Lagerbuchse auf dem Koppelstift zu halten. Der Koppelstift selbst ist über die Lagerbuchse zusätzlich entlang der Finger des Stellhebels an diesen verschiebbar und/oder gleitbar gelagert. Beispielsweise ist der Koppelstift entlang einer zu der Längsachse des Koppelstifts oder entlang einer zu einer Drehachse der Aktuatorwelle senkrechten Verschieberichtung relativ zu den Fingern verschiebbar und/oder gleitbar an diesen gelagert. Des Weiteren ist der Stellhebel über die Finger aufgrund des sphärischen/zylindrischen Kontakts mit der Lagerbuchse um eine senkrecht zur Längsachse des Koppelstifts verlaufende Drehachse relativ zueinander rotierbar. Die
Drehachse entspricht beispielsweise einer gemeinsamen, ge¬ dachten Zylinderachse der zylindrisch geformten Kontaktoberflächen der Finger.
Zusammengefasst kann bei Betätigung der Aktuatorwelle der Koppelstift über die Lagerbuchse relativ zu den Fingern in zwei translatorischen Richtungen verschoben werden bzw. an diesen gleiten und zusätzlich relativ zu den Fingern rotieren. Die Kopplung sieht somit zumindest drei Freiheitsgrade vor.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Lagerbuchse drehbar um die Längsachse des Koppelstifts gelagert. Dies trägt weiter zu den obigen Vorteilen und Funktionen bei. Insbesondere ist dadurch ermöglicht, dass die Lagerbuchse beim Längsverschieben entlang der Finger an den Fingern abrollt. Dadurch wird einen Reibverschleiß reduziert. Die Kopplung sieht demnach vier Frei- heitsgrade, zwei rotatorische und zwei translatorische, vor.
Gemäß einer Ausführungsform schneiden sich eine Drehachse der Aktuatorwelle und eine Drehachse des Verstellrings nicht. Dadurch wird eine besonders flexible Verwendbarkeit des Ver- dichters ermöglicht, wobei je nach räumlichen und baulichen
Gegebenheiten eine Kopplung des Aktuators mit dem Verstellring in unterschiedlichen Ausrichtungen der Drehachsen zueinander möglich ist. Gemäß einer alternativen Ausführungsform schneiden sich die Drehachsen. Dadurch wird zu einer kompakteren Bauweise beigetragen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Drehachsen der Aktuatorwelle und des Verstellrings senkrecht zueinander ausgerichtet. Dadurch bewegen sich der Koppelstift in einer ersten Drehebene und der Verstellring in einer zweiten Drehebene, wobei die beiden Drehebenen senkrecht zueinander stehen.
Gemäß einer Ausführungsform ist während des Öffnens oder Schließens der Blendenöffnung ein Passungsmaß zwischen den inneren Kontaktoberflächen der Finger und der äußeren Kontaktoberfläche der Lagerbuchse konstant. Dadurch wird zu einem gleichmäßigen und geringen Verschleiß bei der Betätigung des Mechanismus beigetragen. Insbesondere aufgrund der vielen Freiheitsgrade bei der Lagerung des Koppelstifts an dem Ver- stellring wird ermöglicht, dass das Spaltmaß konstant bleibt. Dadurch wird eine konstante Kraftübertragung in jedem Betriebspunkt des Verstellmechanismus ermöglicht. Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen den inneren Kontaktoberflächen der Finger und der äußeren Kontaktoberfläche der Lagerbuchse eine Übergangspassung ausgebildet. Dadurch ist nur ein geringes oder sogar überhaupt kein Spaltmaß zwischen den beiden genannten Elementen vorgesehen. Beispielsweise überlappen die beiden Elemente. Dadurch kann eine feste Passung zwischen beiden Elementen erreicht werden, so dass beispielsweise besonders geringe oder gar keine Geräuschemissionen und Vibrationen beim Betätigen des Mechanismus entstehen (Stichwort NVH, Englisch: noise, Vibration and harshness) .
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Sicherungselement, etwa ein Sicherungsring, an dem Koppelstift angeordnet, um die verschiebbare Lagerbuchse auf dem Koppelstift zu sichern.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Lagerbuchse einen
Kunststoffwerkstoff aufweist oder besteht aus diesem. Dadurch werden ein akustisches Übertragungsverhalten und Dämpfungseigenschaften erheblich verbessert, weil ein Kontakt zwischen bewegten Teilen beispielsweise jeweils nur zwischen Kunststoff und Metall stattfindet.
Des Weiteren wird eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine offenbart, die ein Läuferlager , in welchem eine Läuferwelle drehbar gelagert ist, und einen Verdichter nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen aufweist. Die Aufladevorrichtung ist als Abgasturbolader oder als elektromotorisch betriebener Lader oder als ein über eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine betriebener Lader ausge- bildet. Die Aufladevorrichtung ist also beispielsweise als ein Abgasturbolader ausgebildet, der zum Antrieb des Verdichterlaufrades des Verdichters eine Abgasturbine aufweist oder ist alternativ als ein elektromotorisch betriebener Lader (auch E-Booster genannt) ausgebildet, der zum Antrieb des Verdich- terlaufrades des Verdichters einen elektromotorischen Antrieb aufweist. Weiterhin kann die Aufladevorrichtung alternativ zu den zuvor genannten Ausführungen auch als ein über eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine betriebener Lader ausgebildet sein. Eine solche Kopplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Radialverdichter kann beispielsweise mittels eines Zwischengetriebes erfolgen, das einerseits mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine und andererseits mit der Läuferwelle des Radialverdichters in Wirkverbindung steht .
Die Aufladevorrichtung ermöglicht im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile und Funktionen. Insbesondere eignet sich der zuvor beschriebene Verdichter in sämtlichen Ausführungsformen sowohl für einen Abgasturbolader, bei dem wie eingangs erläutert eine Turbine durch einen Abgasmassenstrom angetrieben wird oder für einen elektromotorisch betriebenen Lader. Ein elektromotorisch betriebener Lader bzw. eine Aufladevorrichtung mit einem elektromotorisch betriebenen Lader wird auch als sogenannter E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Aufladevor¬ richtung mit einem Verdichter mit Irisblendenmechanismus,
Figuren 2A bis 2C schematische Aufsichten des Irisblendenmechanismus in drei verschiedenen Zuständen,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe mit einem
Aktuator und einem Irisblendenmechanismus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figuren 4A und 4B die Baugruppe gemäß einem Ausführungs¬ beispiel der Erfindung in einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand, Figuren 5A und 5B Seitenansichten der Baugruppe im offenen Zustand und im geschlossenen Zustand, und
Figuren 6A und 6B teilweise geschnittene Aufsichten der
Baugruppe in dem geschlossenen Zustand und im offenen
Zustand .
Figur 1 zeigt schematisiert ein Beispiel einer Aufladevor¬ richtung 1 in Schnittdarstellung, die einen Verdichter 30 (hier ein Radialverdichter) , ein Läuferlager 40 und eine Antriebs- einheit 20 umfasst. Der Verdichter 30 weist ein optionales Schub-Umluftventil (nicht dargestellt) auf und ein
Luft-Massestrom LM ist ebenfalls mit Pfeilen angedeutet. Ein sogenannter Laderläufer 10 der Aufladevorrichtung 1 weist ein Verdichterlaufrad 13 (auch Verdichterrad bezeichnet) sowie eine Läuferwelle 14 auf (auch Welle bezeichnet) . Der Laderläufer 10 rotiert im Betrieb um eine Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14. Die Läuferdrehachse 15 und gleichzeitig die Laderachse 2 (auch Längsachse bezeichnet) sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt und kennzeichnen die axiale Ausrichtung der Auf- ladevorrichtung 1. Der Laderläufer 10 ist mit seiner Läuferwelle 14 mittels zweier Radiallager 42 und einer Axiallagerscheibe 43 gelagert. Sowohl die Radiallager 42 als auch die Axiallagerscheibe 43 werden über Ölversorgungskanäle 44 eines Ölan- schlusses 45 mit Schmiermittel versorgt.
In diesem Beispiel weist eine Aufladevorrichtung 1, wie in Figur 1 dargestellt, einen mehrteiligen Aufbau auf. Dabei sind ein Gehäuse der Antriebseinheit 20, ein im Ansaugtrakt des Ver¬ brennungsmotors anordenbares Verdichtergehäuse 31 und ein zwischen dem Gehäuse der Antriebseinheit 20 und Verdichter¬ gehäuse 31 vorgesehenes Läuferlager 40 bezüglich der gemeinsamen Laderachse 2 nebeneinander angeordnet und montagetechnisch miteinander verbunden, wobei auch alternative Anordnungen und Konfigurationen von Antriebseinheiten und Läuferlagern möglich sind.
Eine weitere Baueinheit der Aufladevorrichtung 1 stellt der Laderläufer 10 dar, der zumindest die Läuferwelle 14 und das in dem Verdichtergehäuse 31 angeordnete Verdichterlaufrad 13 mit einer Laufradbeschaufelung 131 aufweist. Das Verdichterlaufrad 13 ist auf einem Ende der Läuferwelle 14 angeordnet und mit dieser drehfest verbunden. Die Läuferwelle 14 erstreckt sich in Richtung der Laderachse 2 axial durch das Lagergehäuse 41 und ist in diesem axial und radial um seine Längsachse, die Läuferdrehachse 15, drehgelagert, wobei die Läuferdrehachse 15 in der Laderachse 2 liegt, also mit dieser zusammenfällt. Das Verdichtergehäuse 31 weist einen Luftzuführkanal 36 auf, der optional einen Saugrohr-Anschlussstutzen 37 zum Anschluss an das Luft-Saugsystem (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors aufweist und in Richtung der Laderachse 2 auf das axiale Ende des Verdichterlaufrades 13 zu verläuft. Über diesen Luftzuführkanal 36 wird der Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 aus dem Luft-Saugsystem angesaugt und auf das Verdichterrad 13 geleitet. Der Luftzuführkanal 36 kann auch ein Teil eines Ansaugstutzens sein und somit nicht Teil des Verdichtergehäuses 31. Der Luftzuführkanal 36 schließt beispielsweise an das Verdich- tergehäuse 31 an und bildet einen Verdichtereinlass 36a zum Leiten des Luftmassenstroms LM auf das Verdichterlaufrad 13.
Weiterhin weist das Verdichtergehäuse 31 in der Regel einen, ringförmig um die Laderachse 2 und das Verdichterlaufrad 13 angeordneten, sich schneckenförmig vom Verdichterlaufrad 13 weg erweiternden Ringkanal, einen sogenannten Spiralkanal 32, auf. Dieser Spiralkanal 32 weist eine zumindest über einen Teil des Innenumfanges verlaufende Spaltöffnung mit definierter
Spaltbreite, den sogenannten Diffusor 35, auf, der in radialer Richtung vom Außenumfang des Verdichterlaufrads 13 weg gerichtet in den Spiralkanal 32 hinein verläuft und durch den der
Luftmassenstrom LM vom Verdichterlaufrad 13 weg unter erhöhtem Druck in den Spiralkanal 32 strömt. Der Spiralkanal 32 weist weiterhin einen tangential nach außen gerichteten Luftabführkanal 33 mit einem optionalen Vertei¬ ler-Anschlussstutzen 34 zum Anschluss an ein Luft-Verteilerrohr (nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors auf. Durch den Luftabführkanal 33 wird der Luftmassenstrom LM unter erhöhtem Druck in das Luft-Verteilerrohr des Verbrennungsmotors geleitet.
Die Antriebseinheit 20 ist in Figur 1 nicht weiter detailliert und kann sowohl als Abgasturbine als auch als elektromotorische Antriebseinheit oder auch als eine mechanische Kopplung mit der Brennkraftmaschine, z. B. als Zwischengetriebe, das das mit einer rotierenden Welle der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung steht, ausgeführt sein, was die Aufladevorrichtung 1 in einem Fall zu einem Abgasturbolader und im anderen Fall zu einem elektromotorisch betriebenen Lader auch als E-Booster oder E-Kompressor bezeichnet, oder zu einem mechanischen Lader macht . Im Falle eines Abgasturboladers wäre gegenüber des Verdich¬ terrads 13 beispielsweise ein Turbinenlaufrad (auch Turbinenrad bezeichnet) vorgesehen, welches ebenfalls auf der Läuferwelle 14 drehfest angeordnet und von einem Abgasmassenstrom angetrieben würde .
Im Luftmassenstrom LM stromaufwärts vor dem Verdichterlaufrad 13 ist ein Irisblendenmechanismus 50 zusätzlich oder alternativ zu einem Schubumluft-Ventil (siehe Figur 1) im Luftzuführkanal 36 unmittelbar vor einem Verdichtereinlass 36a (auch Verdichtereintritt) angeordnet und/oder bildet zumindest einen
Teilbereich des Luftzuführkanals 36 unmittelbar vor dem Ver- dichtereinlass 36a des Verdichtergehäuses 31. Der Irisblen¬ denmechanismus 50 ähnelt hinsichtlich seines Funktionsprinzips einer Irisblende in einem Fotoapparat. Der Irisblendenmecha¬ nismus 50 ist dazu ausgebildet, eine Blendenöffnung zumindest teilweise zu schließen oder zu öffnen, so dass ein Strö- mungsquerschnitt für den Luftmassenstrom LM zum Anströmen des Verdichterlaufrads 13 zumindest über einen Teilbereich des Strömungsquerschnittes variabel einstellbar ist. Der Iris¬ blendenmechanismus 50 ermöglicht eine Kennfeldverschiebung für den Verdichter 30, in dem dieser als variable Einlassdrossel für das Verdichterrad 13 fungiert.
Figuren 2A bis 2C zeigen schematisch den Irisblendenmechanismus 50 der Aufladevorrichtung 1 in drei verschiedenen Betriebs- zuständen. Der Irisblendenmechanismus 50 ist an oder in dem Verdichtergehäuse 31 festgelegt und/oder bildet dieses zumindest teilweise. Alternativ ist der Irisblendenmechanismus 50 an oder in einem separaten, feststehenden Gehäuse für den Irisblen- denmechanismus 50 gelagert. Alternativ ist der Irisblenden¬ mechanismus 50 an beziehungsweise in einem mehrteiligen Gehäuse gelagert, wobei ein Teil des mehrteiligen Gehäuses durch das Verdichtergehäuse 31 und ein Teil durch ein zusätzliches se¬ parates Gehäuse (-element) gebildet ist. Der Irisblendenme- chanismus 50 weist einen im Luftzuführkanal 36 konzentrisch zum Verdichtereinlass 36a festgelegten Lagerring 68, einen konzentrisch dazu angeordneten, um ein gemeinsames Zentrum drehbaren Verstellring 53 mit einem Stellhebel 53a und mehrere um einen jeweiligen Drehpunkt im Lagerring 68 drehbar gelagerte Lamellen 52 auf. Anstelle des Lagerrings 68 kann auch das
Verdichtergehäuse 31 oder ein anderes Gehäuse (-element) als Lager dienen. Die Lamellen 52 weisen beispielsweise einen plattenförmigen Lamellengrundkörper und zumindest ein stift- förmiges Betätigungselement (hier nicht erkennbar) , welches zur Betätigung der jeweiligen Lamelle 52 ausgebildet ist, als integrale Bestandteile der jeweiligen Lamelle 52 auf.
An dem Verstellring 53 sind die Lamellen 52 ebenfalls drehbar und/oder verschiebbar, etwa mittels des Betätigungselements, geführt. Im Beispiel hat der Verstellring 53 drei Nuten 54 (in den Figuren angedeutet) zur Lagerung/Führung der Lamellen 52. Über den Verstellring 53 werden die Lamellen 52 synchronisiert und bewegt. Der Verstellring 53 ist beispielsweise am oder im Gehäuse gelagert. Durch Betätigung des Verstellrings 53 werden die Lamellen 52 radial nach innen verschwenkt und verengen eine Blendenöffnung 55 des Irisblendenmechanismus 50. Figur 2A zeigt dabei die Blendenöffnung 55 mit einer maximalen Öffnungsweite (Offenstellung) , Figur 2B zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer verringerten Öffnungsweite und Figur 2C zeigt die Blendenöffnung 55 mit einer minimalen Öffnungsweite (Schließstellung) .
Figur 3 zeigt eine Baugruppe 60 mit einem Irisblendenmechanismus 50 und einem Aktuator 61 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen, teilweise aufgebrochenen Ansicht. Die Baugruppe 60 ist beispielsweise Teil des anhand der Figuren 1 und 2A bis 2C beschriebenen Verdichters 30 der Aufladevorrichtung 1. Figuren 4 bis 6 zeigen die Baugruppe 60 in perspektivischen Ansichten, Seitenansichten und teilweise geschnittenen Aufsichten, wobei die Suffixe „a" und „b" jeweils die oben beschriebene Offenstellung und Schließstellung des Irisblendenmechanismus 50 darstellen. Der Aktuator 61 weist eine in Drehung versetzbare Aktuatorwelle 62 auf. An der drehbaren Aktuatorwelle 62 ist drehfest eine Koppelstange 63 angeordnet, an der wiederum exzentrisch zur Aktuatorwelle ein Koppelstift 64 angeordnet ist. Der Koppelstift 64 kann alternativ auch anderweitig drehfest mit der Aktua- torwelle gekoppelt sein. Bei Betätigung der Aktuatorwelle 63 rotiert diese um eine Aktuatordrehachse 65. Auf den Koppelstift
64 ist eine Lagerbuchse 66 aus Kunststoff, auch Gleitlagerbuchse oder Gleitbuchse bezeichnet, aufgeschoben, die zwischen zwei Fingern 67 des Stellhebels 53a des Verstellrings 53 gelagert ist. Somit ist der Aktuator 61 mittels des Koppelstifts 64 mechanisch mit dem Verstellring 53 gekoppelt.
Bei Betätigung der Aktuatorwelle 62 wird der Koppelstift 64 um die Aktuatordrehachse 65 verdreht und betätigt somit den Verstellring 53 des Irisblendenmechanismus 50. Der Verstellring 53 ist um eine Drehachse 68 drehbar gelagert. Die Drehachse 68 fällt beispielsweise mit der eingangsgenannten Läuferdrehachse 15 zusammen. Im Ausführungsbeispiel stehen die Aktuatordrehachse
65 und die Drehachse 68 des Verstellrings 53 senkrecht zuei- nander, wobei sich die beiden Achsen 65, 68 nicht schneiden. Dies ist beispielsweise in Figuren 5A und 5B gut zu erkennen. Der Koppelstift 64 sowie Finger 67 des Verstellrings 53 rotieren in zwei unterschiedlichen Ebenen, welche senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Die dadurch entstehende kinematische Kom- plexität ist mit Hilfe der besonderen Kopplung zwischen Aktuator 61 und Verstellring 53, wie nachfolgend beschrieben, gelöst. Die Lagerbuchse 66 ist verschiebbar entlang einer Längsachse 69 des Koppelstifts 64 auf dem Koppelstift 64 geführt (s. bei¬ spielsweise Figuren 6A und 6B) . Des Weiteren kann die Lagerbuchse
66 um die Längsachse 69 des Koppelstifts 64 rotieren. Des Weiteren sind die Lagerbuchse 66 und somit der Koppelstift 64 zwischen den
Fingern 67 entlang von Längsachsen 70 der Finger 67 an diesen verschiebbar geführt. Allgemeiner ausgedrückt sind der Kop¬ pelstift 64 bzw. die Lagerbuchse 66 in einer Richtung senkrecht zur Aktuatordrehachse 65 bzw. senkrecht zu der Längsachse 69 des Koppelstifts 64 am Stellhebel 53a verschiebbar geführt.
Zusätzlich weist die Lagerbuchse 66 eine äußere Kontaktober¬ fläche 71 auf, die sphärisch ausgebildet ist. Die beiden Finger
67 weisen gegenüberliegend innere Kontaktoberflächen 72 auf, die korrespondierend zu der sphärisch äußeren Kontaktoberfläche der Lagerbuchse 66 ausgebildet sind und eine zylindrische Formgebung aufweisen. Ein Radius der inneren Kontaktoberfläche 72 ent¬ spricht im Wesentlichen dem Radius der sphärischen äußeren Kontaktoberfläche 71 der Lagerbuchse 66. Dadurch ist es möglich, dass die Lagerbuchse 66 relativ zu den Fingern 67 des Stellhebels 53a um eine Rotationsachse 73 rotieren kann. Dies ist bei¬ spielsweise anhand der Figuren 6A und 6B ersichtlich. Die Rotationsachse 73 verläuft zwischen beiden Fingern 67 senkrecht zu der Aktuatordrehachse 65 und/oder der Längsachse 69 des Koppelstifts 64. Die Rotationsachse 73 entspricht einer Zy¬ linderachse der zylindrischen Kontaktoberflächen 72, die durch einen Mittelpunkt des Radius im Querschnitt verläuft.
Durch die beschriebene Kopplung kann der Koppelstift 64 mittels der Lagerbuchse 66 frei zwischen den Fingern 67 vor und zurück sowie nach oben und nach unten relativ zum Stellhebel 53a verschoben werden ohne dabei einen radialen Kontakt zu verlieren. Zusätzlich kann die Lagerbuchse 66 ohne Verlust des radialen Kontakts um die Längsachse 69 des Koppelstifts 64 drehen.
Weiterhin kann der Koppelstift 64 über die in den Fingern 67 geführte Lagerbuchse 66 relativ zu den Fingern 67 und somit dem Stellhebel 53a um die Rotationsachse 73 rotieren. Die Lagerbuchse 66 selbst kann aufgrund der sphärischen Ausbildung und der Führung in den Fingern 67 nicht in zusammengebauten Zustand von dem Koppelstift 64 gelöst werden. Optional kann zumindest zur Montage die Lagerbuchse 66 auf dem Koppelstift 64 mit Hilfe eins Sicherungselements oder Sicherungsrings gesichert werden. Die beschriebene Kopplung zwischen dem Aktuator 61 und dem Stellhebel 53a ermöglicht die eingangsgenannten Vorteile und Funktionen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der beschriebene Verdichter 30 nicht zwingend Teil der in Figur 1 exemplarisch beschriebenen Aufladevorrichtung 1 sein muss. Vielmehr kann die Aufladevorrichtung 1 auch andersartig ausgestaltet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter (30) für eine Aufladevorrichtung (1) einer Brennkraftmaschine, aufweisend
ein Verdichterrad (13), welches drehfest auf einer drehgelagerten Läuferwelle (14) angeordnet ist;
einen Luftzuführkanal (36) zum Leiten eines Luftmas¬ senstroms (LM) auf das Verdichterrad (13);
einen stromaufwärts vor dem Verdichterrad (13) ange¬ ordneten Irisblendenmechanismus (50), der mehrere über einen drehbar gelagerten Verstellring (53) verstellbare Lamellen (52) zum Schließen oder Öffnen einer Blendenöffnung (55) aufweist, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom (LM) zum Anströmen des Verdichterrads (13) variabel einstellbar ist; und
einen Aktuator (61) mit einer Aktuatorwelle (62), der mechanisch mit dem Verstellring (53) zum Übertragen eines Drehmoments der Aktuatorwelle (62) auf den Verstellring (53) zum Verdrehen des Verstellrings (53) gekoppelt ist, wobei zur mechanischen Kopplung
an der Aktuatorwelle (62) exzentrisch ein verschwenkbarer Koppelstift (64) angeordnet ist, der eine entlang einer Längsachse des Koppelstifts (64) ver¬ schiebbare Lagerbuchse (66) aufweist,
die Lagerbuchse (66) zwischen zwei Fingern (67) eines Stellhebels (53a) des Verstellrings (53) verschiebbar entlang der Finger (67) an den Fingern (67) gelagert ist, eine äußere Kontaktoberfläche (71) der Lagerbuchse (66) sphärisch ausgebildet ist, und
innere Kontaktoberflächen (72) der beiden Finger (67) korrespondierend zu der sphärischen äußeren Kontakt¬ oberfläche (71) der Lagerbuchse (66) zylindrisch ausge¬ bildet sind und in Gleitkontakt mit der äußeren Kon¬ taktoberfläche (71) der Lagerbuchse (66) stehen.
2. Verdichter (30) nach Anspruch 1, wobei die Lagerbuchse (66) drehbar um die Längsachse (69) des Koppelstifts (64) gelagert ist. Verdichter (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Drehachse (65) der Aktuatorwelle (62) des Aktuators (61) und eine Drehachse (68) des Verstellrings (53) schneiden.
Verdichter (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Drehachse (65) der Aktuatorwelle (62) des Aktuators (61) und eine Drehachse (68) des Verstellrings (53) nicht schneiden.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Drehachse (65) der Aktuatorwelle (62) des Aktuators (61) und eine Drehachse (68) des Verstellrings (53) senkrecht zueinander ausgerichtet sind.
Verdichter (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Drehachse (65) der Aktuatorwelle (62) des Aktuators (61) und eine Drehachse (68) des Verstellrings (53) unter einem vorbestimmten Winkel kleiner als 90° zueinander ausgerichtet sind.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zwischen den inneren Kontaktoberflächen (72) der Finger (67) und der äußeren Kontaktoberfläche (71) der Lagerbuchse (66) als Übergangspassung ausgebildet ist.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sicherungselement, etwa ein Sicherungsring, an dem Koppelstift (64) angeordnet ist, um die verschiebbare Lagerbuchse (66) auf dem Koppelstift (64) zu sichern.
Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lagerbuchse (66) einen Kunststoffwerkstoff aufweist oder aus diesem besteht.
Aufladevorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend ein Läuferlager (40), in welchem eine Läu¬ ferwelle (14) drehbar gelagert ist, und
einen Verdichter (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufladevorrichtung (1) als Abgastur- bolader oder als elektromotorisch betriebener Lader als ein über eine mechanische Kopplung mit der Brenn kraftmaschine betriebener Lader ausgebildet ist.
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