DE102015203551A1

DE102015203551A1 - Abgasturboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015203551A1
Application number: DE102015203551.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Czapka
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladeranordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter (2) und mit einer Turbine (3), wobei der Verdichter (2) ein Laufrad (7) aufweist, wobei mittels des Laufrades (7) Frischgas über eine variable Diffusorbeschaufelung (9) in einen Diffusorkanal (8) förderbar ist. Das Verdichterkennfeld ist dadurch erweitert, dass stromaufwärts des Laufrades (7) des Verdichters (2) eine Vorleiteinrichtung (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasturboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Die Abgasturboladeranordnung ist so auszugestalten, dass die beim Betrieb eines Verbrennungsmotors erforderlichen Betriebsbereiche auch von der Abgasturboladeranordnung abgedeckt werden. Hierbei kann der Verdichter aufgrund seiner Kennfeldcharakteristik eine limitierende Komponente sein. Die motorischen Betriebspunkte müssen innerhalb des Verdichterkennfelds liegen. Der stabile Arbeitsbereich des Verdichters wird von der Pumpgrenze und der Stopfgrenze und der Maximaldrehzahl sowie der Schluckgrenze begrenzt. Die Pumpgrenze kann auch als Stabilitätsgrenze bezeichnet werden. Die Stopfgrenze wird durch den maximalen Massendurchsatz bestimmt. Die Maximaldrehzahl hängt von der Laufradfestigkeit ab. Die Schluckgrenze ist keine Eigenschaft des Verdichters alleine, sondern ergibt sich in Abhängigkeit eines Anlagenwiderstandes einer angeschlossenen Peripherie.
Wenn nun höhere Aufladegrade erforderlich sind, beispielsweise durch ein gefordertes, gesteigertes Drehmoment oder eine höhere Leistung, so nehmen auch die Anforderungen hinsichtlich der Auslegung des Verdichters zu. Insbesondere ist eine größere Kennfeldbreite, eine Lage der Pumpgrenze bei niedrigen Massenströmen, eine Lage der Stopfgrenze bei höheren Massenströmen oder ein höherer Wirkungsgrad wünschenswert. Eine Aufweitung des Kennfeldes durch die Verschiebung der Pumpgrenze und/oder der Stopfgrenze ist über eine Anpassung des Laufraddesigns allein nur in begrenztem Maße möglich. Sind die aerodynamischen Potentiale durch Optimierung der Basisgeometrie ausgereizt, so ist eine weitere Aufweitung beziehungsweise Erweiterung des stabilen Arbeitsbereiches des Verdichters nur dann möglich, wenn zusätzliche Maßnahmen im Verdichter implementiert werden.
Aus der gattungsbildenden DE 199 56 896 C1 ist eine Abgasturboladeranordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die Abgasturboladeranordnung weist eine Abgasturbine und einen Radialverdichter auf. Ein Laufrad des Radialverdichters fördert Luft über Leitschaufeln oder Keilschaufelelemente in einen Spiralenkanal. Die Leitschaufeln oder die Keilschaufelelemente sind stromabwärts des Laufrads angeordnet und bilden daher eine Nachleitmaßnahme. Die Leitschaufeln oder Keilschaufelelemente sind axial verschiebbar im Gehäuse des Radialverdichters geführt und können quer zum Förderstrom des Laufrades verstellt werden.
Die Leitschaufeln werden bei niedrigen Massendurchsätzen zugeschaltet und bei hohen Massendurchsätzen zurückgezogen. Bei Betriebspunkten, die sowohl mit Leitschaufeln als auch ohne Leitschaufeln erreicht werden können, werden die Leitschaufeln so betätigt, dass für den jeweiligen Betriebspunkt der günstigere Wirkungsgrad und/oder das günstigere Verdichterdruckverhältnis erreicht wird. Die Pumpgrenze soll zu kleineren Massendurchsätzen verschoben werden und der Wirkungsgrad sowie das Druckverhältnis im Kennfeldbereich des Radialverdichters sollen in Bezug auf die Abgasrückführung optimiert sein.
Aus der DE 10 2013 003 418 A1 ist eine Abgasturboladeranordnung bekannt. Die Abgasturboladeranordnung weist einen Verdichter und eine Turbine auf, wobei die Turbine in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine integriert ist. Der Verdichter ist in einen Frischgasstrang mit einem Laufrad integriert. Als Vorleiteinrichtung ist nun ein Trimmsteller stromaufwärts des Laufrads des Verdichters vorgesehen, wobei der Strömungsquerschnitt mittels des Trimmstellers veränderbar ist. Der Trimmsteller dient zur Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichterkennfeldes in Richtung niedriger Massenströme bei hohen Druckverhältnissen. Ferner soll der Trimmsteller im Bereich der Pumpgrenze einen Anstieg des Verdichterwirkungsgrades bewirken. Durch eine Düsenwirkung des Trimmstellers kann mit zunehmenden Regeleingriff, nämlich mit zunehmender Verkleinerung des Anströmquerschnittes, die Verdichteranströmung stärker auf den nabennahen Strömungsquerschnitt des Laufrades des Verdichters fokussiert werden. Bei nicht gewünschtem Regeleingriff, nämlich wenn der Trimmsteller vollständig geöffnet ist, wird möglichst der gesamte Querschnitt des Frischgasstranges vor dem Verdichter freigegeben, so dass in der Verdichteranströmung möglichst keine zusätzlichen Reibungs- oder Drosselverluste entstehen.
Aus der DE 10 2013 007 333 A1 ist ein Verdichter einer Abgasturboladeranordnung bekannt. Der Verdichter umfasst ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes Verdichterrad, welches um eine Drehachse drehbar aufgenommen ist, ein Zuführrohr, über welches zu verdichtendes Brenngas dem Verdichterrad in axialer Richtung zuführbar ist, und ein Leitelement, welches im Zuführrohr angeordnet ist. Das Leitelement weist einen Nabenring auf, welcher das Zuführrohr in einen äußeren Zuführkanal und einen inneren Zuführkanal teilt. Dabei ist im äußeren Zuführkanal wenigstens eine äußere Leitschaufel zur Erzeugung einer Drallströmung angeordnet. Ferner ist im inneren Zuführkanal wenigstens eine innere Leitschaufel zur Beeinflussung der Strömung, insbesondere der Strömungsrichtung und/oder eines Dralls der Strömung, durch den inneren Zuführkanal angeordnet.
Der gattungsbildende Stand der Technik hat den Nachteil, dass das Kennfeld des Verdichters noch nicht optimal ausgebildet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abgasturboladeranordnung derart auszugestalten und weiterzubilden, so dass das Verdichterkennfeld erweitert ist.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun durch eine Abgasturboladeranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Stromaufwärts des Verdichters ist eine Vorleiteinrichtung angeordnet. Durch den kombinierten Einsatz der Vorleiteinrichtung und der Nachleiteinrichtung in Form der variablen Diffusorbeschaufelung ergeben sich deutlich größere Potentiale zur Kennfelderweiterung des Verdichters der Abgasturboladeranordnung, insbesondere im Pkw-Bereich. Aus dem verbesserten Betriebsverhalten des Verdichters und damit auch der Abgasturboladeranordnung resultieren gleichermaßen Vorteile in der motorischen Betriebscharakteristik. In Abhängigkeit des Wirkungsgradverhaltens des Abgasturboladers sind signifikante Verbrauchsvorteile des Verbrennungsmotors, insbesondere in Volllast möglich. Durch die Erweiterung des Verdichterkennfeldes und unter Voraussetzung eines ausreichenden Leistungsangebotes auf der Turbinenseite können Eckdrehmomente und die Nennleistung durch höhere Aufladegrade deutlich gesteigert werden. Das Eckdrehmoment kann auch als „Low-End-Torque” (LET) bezeichnet werden. Eine Optimierung der Verdichterkennfeldcharakteristik sowie die Steigerung des Verdichterwirkungsgrades bewirken gleichermaßen auch ein verbessertes motorisches Ansprechverhalten, gerade bei niedrigen Motordrehzahlen aus der Teillast heraus. Durch den reduzierten Leistungsbedarf auf der Verdichterseite verringert sich die Hochlaufzeit, was letztendlich eine spontanere Ladedruckbereitstellung zum Drehmomentenaufbau des Verbrennungsmotors zur Folge hat. Durch die Kombination einer insbesondere querschnittsvariablen Vorleiteinrichtung und einer querschnittsvariablen Nachleiteinrichtung in Form der entsprechend variablen Diffusorbeschaufelung ist eine entsprechend vorteilhafte Verdichterkennfeldcharakteristik mit hohem Wirkungsgradniveau bereits im niedrigen Durchsatzbereich ermöglicht. Hierdurch wird eine signifikante Verbesserung sowohl des Eckdrehmomentes als auch des Dynamikverhaltens des Abgasturboladers bei niedrigen Motordrehzahlen ermöglicht. Dies Isst sind insbesondere durch eine entsprechende Schaltstrategie in den jeweiligen Verdichterbetriebsbereichen erzielen.
Die Vorleiteinrichtung ist vorzugsweise als Trimmsteller ausgebildet, wobei mittels des Trimmstellers ein Einströmquerschnitt des Verdichters veränderbar ist. Die Vorleiteinrichtung ermöglicht in bevorzugter Ausgestaltung eine Veränderung des Einströmquerschnitts des Verdichters. Aus thermodynamischer Sicht ist besonders bevorzugt eine Kombination eines Trimmstellers und einer variablen Diffusorbeschaufelung. Der Trimmsteller ermöglicht eine variable Verstellung des Einströmquerschnitts des Verdichters. Durch die Anpassungsmöglichkeit des Strömungsquerschnittes vor dem Laufradeintritt mittels des Trimmstellers besteht die Möglichkeit einer verlustarmen Strömungsführung auf das Laufrad des Verdichters auch bei niedrigem Massendurchsatz. Die bedarfsgerechte Verengung des Strömungsquerschnitts bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, was sich stabilisierend auf die Strömungssituation im Laufrad auswirkt und zu einer Verschiebung der Pumpgrenzlage hin zu niedrigeren Massendurchsätzen führt. Gleichermaßen wird durch die Verringerung der Fehlanströmung am Laufradeintritt eine Verbesserung des Wirkungsgradniveaus erzielt.
Der Trimmsteller kann stufenlos schaltbar sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es ausreichend ist, wenn der Trimmsteller in genau zwei Stellstufen schaltbar ist, wobei in einer ersten Stellstufe der Einströmquerschnitt freigegeben ist und in einer zweiten Stellstufe der Einströmquerschnitt verringert ist. Dies ist eine besonders einfache und damit bevorzugte Schaltstrategie. Der maximal verringerte Einströmquerschnitt ist vorzugsweise größer als 35% des ursprünglichen Einströmquerschnitts.
Durch die Implementierung einer variablen Diffusorbeschaufelung gelingt auch bei einem geringen freien Strömungsquerschnitt am Laufradeintritt eine Stabilisierung des Verdichterkennfeldes auch bei höheren Druckverhältnissen. Die Diffusorbeschaufelung bewirkt eine signifikante Verbesserung der Strömungsführung am Laufradaustritt und homogenisiert das Strömungsfeld. Infolgedessen verringern sich auch die Strömungsverluste im weiteren Strömungsverlauf durch den Diffusor. Aus motorischer Sicht wird durch die Kombination aus dem Trimmsteller und der variablen Diffusorbeschaufelung der größtmögliche Performancegewinn erzielt und eine Fahrbarkeit der relevanten Betriebsbereiche ermöglicht. Um die Fahrbarkeit des Verdichters im gesamten Motorkennfeld zu ermöglichen, sind sowohl der Trimmsteller als auch die Diffusorbeschaufelung querschnittsvariabel, nämlich schaltbar ausgeführt. In Richtung niedriger Verdichtermassenströme wird der Einströmquerschnitt vor dem Laufradeintritt verringert. In Richtung hoher Massendurchsätze wird der gesamte Eintrittsquerschnitt freigegeben.
Es gibt nun unterschiedliche Möglichkeiten, die variable Diffusorbeschaufelung auszugestalten. Die Diffusorbeschaufelung beziehungsweise der entsprechende Leitapparat kann mit vollvariabler Schaufelstellung oder alternativ als zuschaltbarer, axial verschiebbarer Leitapparat mit fester Schaufelstellung ausgeführt sein. Die vollvariable Beschaufelung weist dabei einen Leitapparat mit mehreren Leitschaufeln auf, wobei die Leitschaufeln drehbar angeordnet sind.
Die Stellung der Leitschaufeln beziehungsweise die Drehstellung der Leitschaufeln ist dabei steuerbar.
Die bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Diffusorbeschaufelung einen axial verschiebbaren Leitapparat aufweist. Der zuschaltbare Leitapparat weist dabei mehrere Leitschaufeln auf, wobei durch Verschieben des Leitapparats die Leitschaufeln in den Diffusor einschiebbar sind.
Zwischenstellungen der Diffusorbeschaufelung sind grundsätzlich möglich und können die Flexibilität hinsichtlich der möglichen Stellstrategie erhöhen. In bevorzugter Ausgestaltung werden jedoch nur die zwei Schaltstellungen genutzt. Die Leitschaufeln sind in einer ersten eingeschobenen Schaltstellung und einer zweiten ausgefahrenen Schaltstellung anordbar, wobei in der ausgefahrenen Schaltstellung die Leitschaufeln vorzugsweise nicht mehr in den Diffusorkanal hineinragen. Hierbei wird der Leitapparat bedarfsgerecht in den Diffusor eingeschoben, so dass je nach Auslegung eine Kennfelderweiterung beziehungsweise eine Wirkungsgradverbesserung erzielt werden kann. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, dass der Leitapparat bzw. ein entsprechendes Leitgitter nur bedarfsgerecht zugeschaltet wird. Durch das vollständige Herausfahren der Leitschaufeln aus dem Diffusor wird der gesamte Strömungsraum des Diffusorkanals freigegeben, wenn der Leitapparat nicht erforderlich ist. Auf diese Weise können Strömungsverluste wirksam minimiert werden. Gleichermaßen wird so ein gesteigertes Durchsatzvermögen vergleichbar zum Verdichter ohne Diffusorbeschaufelung ermöglicht.
Die Zuschaltung des Leitapparates sollte nur in denjenigen Betriebsbereichen erfolgen, in denen eine kontinuierliche Leistungsaufnahme des Verdichters frei von Sprüngen gewährleistet ist. Dieser Schaltkorridor muss im stabilen Arbeitsbereich des Basisverdichters, d. h. im Arbeitsbereich des Verdichters ohne Vorleit- und Nachtleitmaßnahmen, liegen, und bei der Auslegung des Leitgitters berücksichtigt werden. Zur Erweiterung des Verdichterkennfeldes wird der Trimmsteller geschlossen und die Diffusorbeschaufelung wird in den Diffusorkanal eingeschoben, wenn der Betriebspunkt des Verdichters innerhalb des Schaltkorridors liegt. Der Schaltkorridor liegt innerhalb des stabilen Arbeitsbereiches des Verdichters, nämlich vorzugsweise benachbart zu einer Pumpgrenze des Verdichters, wobei diese Pumpgrenze sich durch den Betrieb des Trimmstellers in der geöffneten Stellstufe und der Diffusorbeschaufelung in der herausgefahrenen Schaltstellung ergibt.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Diffusorbeschaufelung eine Schaufelüberdeckung σ von 0,33 < σ < 0,69 auf. Bislang wurden Schaufelüberdeckungen von σ = 0,69 als optimal angesehen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass kleinere Schaufelüberdeckungen in dem angegebenen Bereich vorteilhaft sind.
Die Turbine ist vorzugsweise als VTG-Turbine, d. h. mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestaltet, wobei in einem Turbinengehäuse mehrere verstellbare Leitschaufeln vorgesehen sind. Durch die VTG-Turbine wird ein ausreichendes Turbinenleistungsangebot in allen Betriebsbereichen erzielt. Die VTG-Turbine ist vorzugsweise kontinuierlich schaltbar. Durch die Veränderung der Turbinengeometrie mittels der Leitschaufeln können größere Verdichter mit einem höheren Durchsatzvermögen und einem gesteigerten Wirkungsgrad eingesetzt werden. Die Laufradgröße des Verdichters beträgt beispielsweise zwischen 30 und 60 mm. Damit lassen sich höhere spezifische Leistungen bei einem vorteilhaften Eckdrehmoment erzielen, wobei das Eckdrehmoment bei kleineren Motordrehzahlen liegt. Mittels der Kombination der VTG-Turbine, der Diffusorbeschaufelung und dem Trimmsteller kann das Potential von neueren Brennverfahren, wie dem Miller-Brennverfahren, besser ausgeschöpft werden.
Durch den Einsatz eines größeren Verdichters zusammen mit dem Trimmsteller und der Diffusorbeschaufelung ergibt sich die Möglichkeit zur Leistungssteigerung, zur Drehmomentsteigerung, zur Umsetzung von Miller-Steuerzeiten, zur Umsetzung von Miller-Hochleistungskonzepten und zur vollen Nutzung des Leistungspotentials der VTG-Turbine, ohne Einbußen im Eckdrehmoment hinnehmen zu müssen; es lässt sich sogar eine Verbesserung des Eckdrehmoments erzielen.
Der Trimmsteller, die Diffusorbeschaufelung und die VTG-Turbine sind vorzugsweise über eine gemeinsame Aktorik schaltbar. Vorzugsweise ist dabei der Trimmsteller binär, d. h. in zwei Stellstufen und die Diffusorbeschaufelung ebenfalls binär, d. h. in zwei Schaltstufen schaltbar, aber der VTG-Turbine ist vorzugsweise stufenlos schaltbar. Die Aktorik kann dazu einen Aktuator mit einem Kolben und einem Zylinder aufweisen, wobei die translatorische Bewegung des Kolbens mittels eines Ansteuermechanismus in eine Drehbewegung zur Verstellung der Leitschaufeln der VTG-Turbine übersetzt wird. Die binäre Schaltbarkeit kann dabei dadurch erzielt werden, dass ein der Diffusorbeschaufelung zugeordnetes Betätigungsmittel und ein dem Trimmsteller zugeordnetes Betätigungsmittel in der translatorischen Bewegung jeweils durch einen Anschlag begrenzt sind, wodurch die Bewegung des Kolbens über zumindest einen Teil des Verschiebewegs von der Bewegung der Betätigungsmittel entkoppelt ist. Die Betätigungsmittel können über Federmittel gegen die Anschläge vorgespannt sein.
Als alternative Vorleiteinrichtung können andere Konfigurationen zur Kennfelderweiterung in Kombination mit der variablen Diffusorbeschaufelung genutzt werden. Die Vorleiteinrichtung kann einen Rezirkulationskanal aufweisen. Die Vorleiteinrichtung kann beispielsweise als Vorleitkennfeldexpander ausgebildet sein. Solche Gehäusestrukturierungen dienen zur passiven Strömungsbeeinflussung und sind nicht schaltbar ausgebildet. Diese beiden Vorleiteinrichtungen sind starr, also nicht schaltbar ausgeführt und unterscheiden sich im Wirkprinzip vom Trimmsteller.
Die eingangs genannten Nachteile sind daher vermieden und entsprechende Vorteile sind erzielt.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Abgasturboladeranordnung auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausgestaltungen der Abgasturboladeranordnung anhand der Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 in einer stark schematischen, hälftig geschnittenen Darstellung eine Abgasturboladeranordnung einer ersten Schaltstellung,
2 in einer schematischen, hälftig geschnittenen Darstellung die Abgasturboladeranordnung in einer zweiten Schaltstellung,
3 in einer schematischen, hälftig geschnittenen Darstellung die Abgasturboladeranordnung in einer dritten Schaltstellung,
4 in einer schematischen, geschnittenen Detaildarstellung ein Teil der Abgasturboladeranordnung, nämlich einen Diffusorkanal und mehrere in den Diffusorkanal einschiebbare Leitschaufeln in einer aus dem Diffusorkanal herausgefahrenen Stellung,
5 in einer schematischen, geschnittenen Detaildarstellung den Diffusorkanal mit den Leitschaufeln in der zugeschalteten, eingeschobenen Stellung der Leitschaufeln,
6a in einer schematischen Detaildarstellung den Diffusorkanal mit einer alternativen Ausgestaltung der Leitschaufeln, wobei die Leitschaufeln drehbar angeordnet sind,
6b in einem schematischen Diagramm ein Verdichterkennfeld für eine Abgasturboladeranordnung mit einer variablen Diffusorbeschaufelung.
7 in einem schematischen Diagramm mehrere Verdichterkennfelder,
8 in einem schematischen Diagramm mehrere Eckdrehmomente,
9 in einem schematischen Diagramm ein weiteres Verdichterkennfeld, und
10 in einem schematischen Diagramm ein weiteres Verdichterkennfeld für eine Abgasturboladeranordnung mit einer zuschaltbaren Diffusorbeschaufelung.
In 1 bis 3 ist eine Abgasturboladeranordnung 1 zu erkennen. Die Abgasturboladeranordnung 1 ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem entsprechenden Verbrennungsmotor geeignet (nicht näher dargestellt). Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftfahrzeug (PKW) ausgestaltet.
Die Abgasturboladeranordnung 1 weist einen Verdichter 2 und eine Turbine 3 auf. Der Verdichter 2 und die Turbine 3 sind über eine Welle 4 miteinander verbunden. Die Turbine 3 ist mit einem nicht dargestellten Abgasstrang verbunden. Der Verdichter 2 ist mit einem nicht dargestellten Frischgasstrang verbunden. Der Verdichter 2 ist in einem Verdichtergehäuse 5 angeordnet, die Turbine 3 ist in einem Turbinengehäuse 6 angeordnet. Der Verdichter 2 weist neben dem Verdichtergehäuse 5 das Laufrad 7 auf, wobei das Laufrad 7 mit der Welle 4 drehfest verbunden ist.
Das Verdichtergehäuse 5 begrenzt einen Diffusorkanal 8. In dem Diffusorkanal 8 ist eine Diffusorbeschaufelung 9 angeordnet. Mittels des Laufrades 7 ist Luft des Frischgasstranges über die Diffusorbeschaufelung 9 in den Diffusorkanal 8 förderbar. Der Durchmesser des Laufrades 7 beträgt insbesondere deutlich weniger als 100 mm. Vorzugsweise hat das Laufrad 7 einen Durchmesser von 30 bis 50 mm.
Die eingangs genannten Nachteile sind nun dadurch vermieden, dass stromaufwärts des Laufrades 7 des Verdichters 2 eine Vorleiteinrichtung 10 angeordnet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Vorleiteinrichtung 10 als Trimmsteller 11 ausgebildet. Hierbei ist mittels der Vorleiteinrichtung 10 ein Einströmquerschnitt des Verdichters 2 veränderbar. Der Einströmquerschnitt ist insbesondere in zwei Verstellstufen einstellbar.
Es ist jedoch denkbar, dass in alternativer Ausgestaltung (nicht dargestellt) die Vorleiteinrichtung 10 als Vorleitkennfeldexpander oder als Gehäusestrukturierung mit einem Rezirkulationskanal ausgestaltet ist. Hierbei ist jedoch der Einströmquerschnitt des Verdichters 2 nicht wahlweise veränderbar.
Die Turbine 3 ist vorzugsweise als VTG-Turbine 3 ausgestaltet, wobei in dem Turbinengehäuse 6 mehrere verstellbare Leitschaufeln 16 vorgesehen sind. In dem Turbinengehäuse 6 sind dazu mehrere Leitschaufeln 16 (1 bis 3 stark schematisch dargestellt) drehbar angeordnet, wobei mittels der Leitschaufeln 16 das Turbinengehäuse 6 teilweise öffenbar beziehungsweise schließbar ist. Der effektive Durchmesser des nutzbaren Turbinengehäuses 6 ist hierdurch verkleinerbar oder vergrößerbar. Durch das Verkleinern des effektiven Durchmessers können die Abgase schneller weitergeleitet werden, so dass bei geringerer Drehzahl ein höherer Ladedruck erzeugt werden kann. Unter Volllast kann der Durchmesser vergrößert werden, so dass die Drehzahl der Turbine 3 im wesentlichen konstant bleibt. Die Leitschaufeln 16 können auch als Leitgitter bezeichnet werden. Das Leitgitter ist entsprechend öffenbar und schließbar. Die Leitschaufeln 16 sind stufenlos öffenbar und schließbar.
Im Folgenden darf auf die Diffusorbeschaufelung 9 anhand der 4 und 5 näher eingegangen werden. Die Diffusorbeschaufelung 9 weist mehrere Leitschaufeln 12 auf, wobei die Leitschaufeln 12 an einem Leitgitterring 13 fest angeordnet sind. Die Leitschaufeln 12 und der Leitgitterring 13 bilden einen axial verschiebbaren Leitapparat, wobei dieser Leitapparat in einer Gehäuseaufnahme 14 geführt ist. Die Gehäuseaufnahme 14 ist von dem Diffusorkanal 8 durch eine sich im Wesentlichen in Radialrichtung erstreckende Seitenwand 15 getrennt. Die Seitenwand 15 weist nicht näher bezeichnete Schlitze auf, wobei die Leitschaufeln 12 die Schlitze durchgreifen. In der in 4 dargestellten zurückgezogenen Stellung sind die Leitschaufeln 12 im Wesentlichen in der Gehäuseaufnahme 14 angeordnet, wobei die Leitschaufeln 12 hierbei in den Diffusorkanal 8 nicht hineinragen. In der in 5 dargestellten ausgefahrenen Stellung beziehungsweise zugeschalteten Stellung des Leitapparates sind die Leitschaufeln 12 in den Diffusorkanal 8 eingeschoben. Die Länge der Leitschaufeln 12 kann dabei so bemessen sein, dass die Leitschaufeln 12 sich insbesondere von der Seitenwand 15 bis zur gegenüberliegenden Wand (nicht näher bezeichnet) des Diffusorkanals 8 erstrecken.
In 6a ist eine alternative Ausgestaltung der Diffusorbeschaufelung 9 dargestellt. In dem Diffusorkanal 8 sind hier nun mehrere Leitschaufeln 16 angeordnet, wobei die Leitschaufeln 16 um einen Winkel Δα drehbar sind. Durch Änderung dieses Anstellwinkels ist die Diffusorbeschaufelung 9 variabel stufenlos einstellbar. Die in 6a dargestellte Ausgestaltung der querschnittsvariablen Diffusorbeschaufelung 9 hat den Vorteil, dass sich eine moderate Wirkungsgradsteigerung und eine moderate Druckverhältnissteigerung ergibt. Es ist eine große Kennfeldbreite erzielbar. In 6b sind vier Kennfeldbereiche 29, 30, 31, 32 mit entsprechenden Pumpgrenzen eingezeichnet. Der Kennfeldbereich 29 ergibt sich beim Einsatz des Verdichters 2 ohne eine entsprechende Diffusorbeschaufelung 9. Die Kennfeldbereiche 30, 31 und 32 ergeben sich bei Einsatz des Verdichters 2 zusammen mit einer entsprechenden Diffusorbeschaufelung 9, wobei die Diffusorbeschaufelung 9 einmal in einer geschlossenen Schaltstellung, einmal in einer mittleren Schaltstellung und einmal in einer offenen Schaltstellung angeordnet ist. Durch Vergleich der Kennfeldbereiche 29 und 30 ist zu erkennen, dass in der geschlossenen Schaltstellung der Diffusorbeschaufelung 9 die Pumpgrenze hin zu niedrigen Massenströmen verschoben werden kann. Wenn nun die Diffusorbeschaufelung 9 sukzessive geöffnet wird, wird die Pumpgrenze hin zu höheren Massenströmen verschoben, wobei hierdurch im Wesentlichen der gesamte Kennfeldbereich 29 des Verdichters 2 ohne Diffusorbeschaufelung 9 auch mit der Diffusorbeschaufelung 9 nutzbar ist. Durch Veränderung der Diffusorbeschaufelung 9 beziehungsweise der entsprechenden Leitgitterstellung ist hierdurch eine große Kennfeldbreite erzielbar. Bei der in 6a und 6b dargestellten vollvariablen Diffusorbeschaufelung 9 erfolgt die Verstellung durch Verdrehung der einzelnen Leitschaufeln 12 im Diffusorkanal 8. Die Leitschaufeln 12 und der entsprechende Leitapparat sind hierbei dauerhaft im Diffusorkanal 8 implementiert.
Im Folgenden darf nun auf die unterschiedlichen Diagramme in 7, 8, 9 und 10 näher eingegangen werden.
In den 7, 9 und 10 ist jeweils ein Druckverhältnis 17 über einem Verdichtermassenstrom 18 aufgetragen.
In 7 ist ersichtlich, dass sich durch die Verwendung des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11 und der variablen Diffusorbeschaufelung 9 die Pumpgrenze 19 verschieben lässt. Die Pumpgrenze 19 ergibt sich beim Einsatz des Verdichters 2 ohne Trimmsteller 11 und ohne Einsatz einer variablen Diffusorbeschaufelung 9. Durch die Verwendung des Verdichters 2 mit dem Trimmsteller 11 lässt sich die Pumpgrenze 20 nun weiter Richtung niedriger Verdichtermassenströme verschieben. Die Pumpgrenze 21 ergibt sich nun durch die Verwendung des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11 und der Diffusorbeschaufelung 9. Ferner sind in dem Diagramm aus 7 jeweils die Eckdrehmomente 22, 23, 24 markiert. Das Eckdrehmoment 22 ergibt sich, wenn lediglich der Verdichter 2 ohne Trimmsteller 11 und ohne zusätzliche Diffusorbeschaufelung 9 eingesetzt wird. Das Eckdrehmoment 23 liegt im Vergleich zum Eckdrehmoment 22 bei einem niedrigeren Verdichtermassenstrom und ergibt sich bei der Verwendung des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11. Das Eckdrehmoment 24 liegt im Vergleich zum Eckdrehmoment 23 bei einem noch niedrigeren Verdichtermassenstrom und ergibt sich durch den Einsatz des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11 und der Diffusorbeschaufelung 9.
Durch die stufenlose Anpassung des Strömungsquerschnittes vor dem Laufradeintritt mittels des Trimmstellers 11 besteht die Möglichkeit einer verlustarmen Strömungsführung auf das Laufrad 7 auch bei niedrigem Massendurchsatz. Die bedarfsgerechte Verengung des Strömungsquerschnittes bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, was sich stabilisierend auf die Strömungssituation im Laufrad 7 auswirkt und zu einer Verschiebung der Pumpgrenze 19, 20, 21 hin zu niedrigeren Massendurchsätzen führt (vgl. 7). Gleichermaßen wird durch die Verringerung der Fehlanströmung am Laufradeintritt eine Verbesserung des Wirkungsgradniveaus erzielt. In 7 sind zwei Bereiche 25, 26 im Verdichterkennfeld markiert. Der Bereich 25 beschreibt einen Wirkungsgradvorteil beim Einsatz des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11 gegenüber dem Einsatz des Verdichters 2 alleine. Der Bereich 26 beschreibt den Wirkungsgradvorteil beim Einsatz des Verdichters 2 zusammen mit dem Trimmsteller 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 gegenüber der Verwendung des Verdichters 2 alleine ohne einen entsprechenden Trimmsteller 11 und ohne eine Diffusorbeschaufelung 9. Die Diffusorbeschaufelung 9 bewirkt eine signifikante Verbesserung der Strömungsführung am Laufradaustritt und homogenisiert das Strömungsfeld. In Folge dessen verringern sich auch die Strömungsverluste im weiteren Strömungsverlauf durch den Diffusor beziehungsweise den Diffusorkanal 8. Aus motorischer Sicht wird durch die Kombination des Trimmstellers 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 der größtmögliche „Performance-Benefit” erzielt und eine Fahrbarkeit der relevanten Betriebsbereiche ermöglicht, wie es in 7 und 8 angedeutet ist.
In 8 ist das Drehmoment 27 über die Motordrehzahl 28 bei Volllast des Verbrennungsmotors aufgetragen. Durch die Kombination des Verdichters 2 mit dem Trimmsteller 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 lässt sich auch bei geringen Motordrehzahlen, beispielsweise bei Drehzahlen von weniger als 1250 Umdrehungen pro Minute ein deutlicher Zuwachs an Motordrehmoment erzielen. Untersuchungen haben ergeben, dass sich der hier erzielbare Wirkungsgradzuwachs gleichermaßen vorteilhaft auf das Eckdrehmoment 24 und das entsprechende Dynamikverhalten des Verbrennungsmotors auswirkt.
In 8 ist gut zu erkennen, dass die Eckdrehmomente 22, 23, 24 sukzessive bei niedrigeren Motordrehzahlen erreicht werden. Dies lässt erkennen, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Verdichter 2 mit dem Trimmsteller 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 eingesetzt wird. Um die motorischen Auslegungsziele auch künftig zu erreichen, weist die Abgasturboladeranordnung 1 ein entsprechend erweitertes Verdichterkennfeld auf, was durch den Einsatz eines Verdichters 2 zusammen mit einer Diffusorbeschaufelung 9 und eines Trimmstellers 11 erreicht wird. Der kombinierte Einsatz einer entsprechenden Vorleiteinrichtung 10 mit einer Nachleiteinrichtung in Form der Diffusorbeschaufelung 9 ist anderen Konzepten zur Verdichterkennfelderweiterung überlegen. Es ergeben sich hierdurch deutlich größere Potentiale zur wirkungsvollen Kennfelderweiterung der entsprechenden Abgasturboladeranordnung 1. Aus dem verbesserten Betriebsverhalten des Verdichters 2 und damit auch der Abgasturboladeranordnung 1 resultieren gleichermaßen Vorteile in der motorischen Betriebscharakteristik.
In Abhängigkeit des Wirkungsgradverhaltens der Abgasturboladeranordnung 1 sind signifikante Verbrauchsvorteile des Verbrennungsmotors, insbesondere unter Volllast möglich. Durch die Erweiterung des Verdichterkennfeldes und unter Voraussetzung eines ausreichenden Leistungsangebotes auf der Turbinenseite können die entsprechenden Eckdrehmomente LET und die Nennleistung P_Nenn durch höhere Aufladegrade deutlich gesteigert werden (vgl. 9 und 10). Eine Optimierung der Verdichterkennfeldcharakteristik sowie die Steigerung des Verdichterwirkungsgradniveaus bewirken gleichermaßen auch ein verbessertes motorisches Ansprechverhalten gerade bei niedrigen Motordrehzahlen aus der Teillast heraus. Durch den reduzierten Leistungsbedarf auf der Verdichterseite verringert sich die Hochlaufzeit, was letztendlich eine spontanere Ladedruckbereitstellung zum Drehmomentaufbau des Verbrennungsmotors zur Folge hat.
Um die Fahrbarkeit des Verdichters 2 im gesamten Motorkennfeld zu ermöglichen, ist der Trimmsteller 11 verstellbar beziehungsweise schaltbar und auch die Diffusorbeschaufelung 9 ist entweder querschnittsvariabel, wie es in 6 dargestellt ist ausgeführt oder schaltbar, wie es in 4 und 5 dargestellt ist. In Richtung niedriger Verdichtermassenströme wird der Einströmquerschnitt vor dem Laufradeintritt mittels des Trimmstellers 11 sukzessive verringert. In Richtung hoher Massendurchsätze wird der gesamte Eintrittsquerschnitt mittels des Trimmstellers 11 freigegeben.
Bei der in 1 bis 5 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung erfolgt hingegen die Zuschaltung der Leitschaufeln 12 entsprechend bedarfsgerecht. Je nach Leitschaufelstellung muss die Zuschaltung innerhalb einer bestimmten Kennfeldregion erfolgen, die als Schaltkorridor 33 bezeichnet werden kann. In 10 ist der Schaltkorridor 33 eingezeichnet. Der Schaltkorridor 33 liegt dabei benachbart zur Pumpgrenze 34 des Verdichters 2. Die Pumpgrenze 34 beschreibt dabei die Pumpgrenze ohne den Einsatz der Diffusorbeschaufelung 9. Durch den Einsatz der Diffusorbeschaufelung 9 kann die Pumpgrenze 34 hin zu der Pumpgrenze 35 verschoben werden. Dadurch, dass die Zuschaltung der Leitschaufel 12 innerhalb des Schaltkorridors 33 erfolgt, wird ein störungsfreier Motorbetrieb gewährleistet. Grundsätzlich gilt, dass zu jedem Zeitpunkt die gewünschte Ladungsmenge kontinuierlich bereitgestellt werden muss, um negative Auswirkungen auf die motorische Laufruhe zu vermeiden. Die Schaltung der Leitschaufeln 12 beziehungsweise des entsprechenden Leitgitterrings 13 sollte daher nur in denjenigen Betriebsbereichen erfolgen, in denen eine kontinuierliche Leistungsaufnahme des Verdichters 2 frei von Sprüngen gewährleistet ist. Dieser Schaltkorridor 33 liegt im stabilen Arbeitsbereich des Verdichters 2 und ist bei der Auslegung der Diffusorbeschaufelung 9 zu berücksichtigen. Zwischenstellungen der Leitschaufeln 12 sind grundsätzlich möglich und können gegebenenfalls die Flexibilität hinsichtlich der möglichen Schaltstrategie erhöhen.
Der große Vorteil der in 4 und 5 dargestellten Variante liegt darin, dass das Leitgitter, das heißt die entsprechenden Leitschaufeln 12 nur bedarfsgerecht zugeschaltet werden. Durch das vollständige Herausfahren der Leitschaufeln 12 aus dem Diffusorkanal 8 wird der gesamte Strömungsraum freigegeben, wenn der Leitapparat nicht erforderlich ist. Auf diese Weise können Strömungsverluste wirksam minimiert werden. Gleichermaßen wird so ein gesteigertes Durchsatzvermögen, vergleichbar zum Verdichter 2 ohne Diffusorbeschaufelung 9 ermöglicht.
Hinsichtlich der Auslegung des Trimmstellers 11 in Kombination mit der Diffusorbeschaufelung 9 haben sich folgende Ausgestaltungen als vorteilhaft erwiesen. Zwar ist es denkbar, dass der Trimmsteller 11 als kontinuierlich schaltbare, querschnittsvariable Maßnahme zur Verdichterkennfelderweiterung eingesetzt wird. Es hat sich jedoch ergeben, dass eine im wesentlichen binäre Schaltbarkeit des Trimmstellers 11 ausreichend ist. Der Trimmsteller 11 ist dabei in genau zwei Verstellstufen nutzbar. In einer Stellstufe ist der Einströmquerschnitt freigegeben. In einer zweiten Stellstufe ist der Einströmquerschnitt verringert. Die zweite Stellstufe verringert den Einströmquerschnitt. Hierbei ist eine Verringerung des effektiven Einströmquerschnitts unter 35% des ursprünglichen Einströmquerschnitts nicht sinnvoll.
Eine Kombination des Trimmstellers 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 ist besonders vorteilhaft, wenn die Diffusorbeschaufelung 9 auf maximale Pumpgrenzverschiebung ausgelegt ist. Hierdurch ergeben sich in eckdrehmomentrelevanten Betriebsbereichen der Abgasturboladeranordnung 1 die erforderlichen Systemsynergien zur Verbesserung des Kennfeldes.
Vorzugsweise werden für die Auslegung der Diffusorbeschaufelung 9 folgende Auslegungskriterien eingehalten. Die Diffusorbeschaufelung 9 weist vorzugsweise eine Schaufelüberdeckung σ von 0,33 < σ < 0,69 auf. Die Diffusorbeschaufelung 9 ist hierbei als „Low-Solidity-Diffusorbeschaufelung” (LS-Diffusorbeschaufelung) ausgebildet.
Als weiteres Auslegungskriterium kann genannt werden, dass die Diffusorbeschaufelung 9 ebenfalls binär schaltbar ist, d. h. in einer ersten und in einer zweiten Schaltstufe anordbar ist. Der Einsatz der Diffusorbeschaufelung 9 ist vorzugsweise ausschließlich auf den eckdrehmomentrelevanten Verdichterbetriebsbereich beschränkt. Die Leitschaufeln 12 sind hierbei in einer ersten eingeschobenen Schaltstellung und in einer zweiten ausgefahrenen Schaltstellung anordbar. Außerhalb dieses eckdrehmomentrelevanten Verdichterbetriebsbereiches sind die Leitschaufeln 12 in der ausgefahrenen Schaltstellung angeordnet beziehungsweise aus dem Diffusorkanal 8 herausgefahren, wodurch der gesamte Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Auf diese Weise werden die auftretenden Strömungsverluste im Vergleich zu einem kontinuierlich schaltbaren beschaufelten Diffusor wirksam minimiert.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind sowohl der Trimmsteller 11 als auch die Diffusorbeschaufelung 9 jeweils in genau zwei Stellungen schaltbar, nämlich binär schaltbar. In besonders bevorzugter Ausgestaltung wird nun (vgl. 1 bis 3) eine gemeinsame Aktorik 36 zur gleichzeitigen Ansteuerung des Trimmstellers 11 und der Diffusorbeschaufelung 9 und der VTG-Turbine genutzt. Mittels der Aktorik 36 wird sowohl die Diffusorbeschaufelung 9, der Trimmsteller 11 als auch die Leitschaufeln 16 wie im Folgenden beschrieben, verstellt. Die Aktorik 36 weist einen Aktuator 37 auf. Der Aktuator 37 weist insbesondere einen Zylinder und einen darin verschiebbaren Kolben (nicht näher bezeichnet) auf und erzeugt so eine translatorische Bewegung.
In 1, 2 und 3 sind unterschiedliche Stellungen der Aktorik 36 dargestellt. In 1 ist eine Schaltstellung der Aktorik 36 dargestellt, in der die Abgasturboladeranordnung 1 in einem eckdrehmomentenrelevanten Kennfeldbereich verwendet wird. Hierzu ist der Trimmsteller 11 geschlossen, die Diffusorbeschaufelung 9 ist in den Diffusorkanal 8 eingeschoben und die Leitschaufeln 16 sind geschlossen. Der Einströmquerschnitt ist verringert. Durch die geschlossene Stellung der VTG-Turbine 3 wird ausreichend Ladedruck auf der Verdichterseite bereitgestellt.
In der in 2 dargestellten Stellung befindet sich der Verbrennungsmotor in einem mittleren Motordrehzahlbereich, wobei nun der Trimmsteller 11 geöffnet ist, die Diffusorbeschaufelung 9 herausgefahren ist und die Leitschaufeln 16 auf der Turbinenseite in einer Zwischenstellung angeordnet sind. Wenn das Eckdrehmoment LET erreicht worden ist und der Verdichterbetriebspunkt in einem stabilen Arbeitsbereich des Verdichters 2 liegt, so wird die Diffusorbeschaufelung 9 aus dem Diffusorkanal 8 herausgezogen und die VTG-Turbine 3 geöffnet. Die Leitschaufeln 16 befinden sich dabei zunächst in einer Zwischenstellung.
In der in 3 dargestellten Schaltstellung der Abgasturboladeranordnung 1, wenn die Nennleistung erreicht ist, ist der Trimmsteller 11 geöffnet, die Diffusorbeschaufelung 9 ist herausgefahren und die Leitschaufeln 16 auf der Turbinenseite sind geöffnet.
Die Aktuatorik 36 weist ein Betätigungsmittel 38 zur Betätigung des Trimmstellers 11, ein Betätigungsmittel 39 zur Betätigung der Diffusorbeschaufelung 9 und ein Betätigungsmittel 40 zur Betätigung der turbinenseitigen Leitschaufeln 16 auf. Die beiden Betätigungsmittel 38, 39 werden zusammen mit dem Kolben translatorisch verschoben und sind in ihrer Bewegung zum einen durch einen Anschlag 41, 42 und zum anderen durch ein Federmittel 43, 44 begrenzt. Das Federmittel 43, 44 drängt die Betätigungsmittel 38, 39 jeweils gegen den Anschlag 41, 42. Hierdurch ergibt sich in einer Grundstellung (vgl. 2 und 3), dass in der ersten Verstellstufe der Trimmsteller 11 geöffnet ist und die Diffusorbeschaufelung 9 in der ersten Schaltstellung herausgefahren ist. Wenn der Kolben nun soweit verschoben wird, dass ein entsprechender Betätigungsarm 45, 46 des Kolbens gegen das Betätigungsmittel 38, 39 drängt und so das Betätigungsmittel 38, 39 aus der Grundstellung heraus verschiebt, ergibt sich die in 1 dargestellte Anordnung in der geschlossenen Verstellstufe des Trimmstellers 11 und in den Diffusorkanal 8 eingeschobene Schaltstellung der Diffusorbeschaufelung 9. Bezüglich der turbinenseitigen Verstellung der Leitschaufeln 16 ist nun ein translatorisch-rotatorisches Übersetzungsglied 53 vorgesehen, das zur Betätigung des Betätigungsmittels 40 dient. Da dieses Übersetzungsglied 53 über den ganzen Verschiebungsweg des Kolbens wirkt, jedoch die anderen beiden Betätigungsmittel 38, 39 nicht über den gesamten Verschiebungsweg des Kolbens wirken, sondern hier durch entsprechende Anschläge 41, 42 begrenzt sind, ergibt sich die Möglichkeit, auf der einen Seite einer kontinuierlichen Verstellung der Leitschaufeln 16 und einer binären Verstellmöglichkeit der Diffusorbeschaufelung 9 und des Trimmstellers 11.
Auf Grundlage der in 1 bis 3 dargestellten Schaltstrategie ergeben sich neue Möglichkeiten, hinsichtlich der Auslegung des Verdichters 2. Hierzu darf auf 9 und 10 Bezug genommen werden.
In 9 ist die Volllastanforderung 47 eines heutigen Motors und eine Volllastanforderung 48 eines weiteren, zukünftigen Motors dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass das entsprechende Eckdrehmoment 49 beziehungsweise 50 im Wesentlichen hin zu höheren Druckverhältnissen verschoben wird. Hierdurch kann das Eckdrehmoment 50 außerhalb einer heutigen Pumpgrenze 51 liegen. Dies ist zu vermeiden. Ferner ist erkennbar, dass die Nennleistung P_Nenn im Vergleich der Volllastanforderung 47 und der Volllastanforderung 48 hin zu höheren Druckverhältnissen und zu höheren Verdichtermassenströmen verschoben wird. Auch hierbei kann die Nennleistung P_Nenn bei zukünftigen Motoren außerhalb des hier eingezeichneten Verdichterkennfeldes liegen. Dies ist zu vermeiden.
Insbesondere der binär schaltbare Trimmsteller 11 und die binär schaltbare Diffusorbeschaufelung 9 in Verbindung mit einer kontinuierlich schaltbaren VTG-Turbine 3 erlaubt den Einsatz von größeren Verdichtern 2 mit höherem Durchsatzvermögen und gesteigertem Wirkungsgradniveau. Damit lassen sich höhere spezifische Leistungen bei einem gleichzeitig früheren Eckdrehmoment LET erreichen, die bisher mit einstufigen Abgasturboladeraufladungen nicht dargestellt werden können. Voraussetzung hierfür ist ein ausreichendes Turbinenleistungsangebot in allen Betriebsbereichen. Dies wird durch eine kontinuierlich schaltbare VTG-Turbine 3 ermöglicht. Insbesondere die volle Ausnutzung des Potenzials innovativer Brennverfahren, wie dem Miller-Brennverfahren wird durch das neue Konzept der Kombination des Trimmstellers 11, der Diffusorbeschaufelung 9 und der VTG-Turbine 3 erst ermöglicht. Das Miller-Brennverfahren erfordert in Folge kürzerer Einlasssteuerzeiten größere Aufladegrade auch im niedrigen Durchsatzbereich.
Das Laufrad 7 kann vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 30 mm und 50 mm aufweisen. Eine Vergrößerung des Laufraddurchmessers des Verdichters 2 und damit ein verringerter relativer Spalteinfluss gehen mit einer zum Teil erheblichen Wirkungsgradsteigerung des Verdichters 2 einher. Auf diese Weise kann die geforderte Nennleistung P_Nenn des Motors über das Kennfeld 52 des Verdichters 2 abgedeckt werden. Durch Vergrößerung des Laufraddurchmessers kann sich aber die Pumpgrenze 34 des stabilen Arbeitsbereiches des Verdichters 2 hin zu höheren Verdichtermassenströmen verschieben. Der LET-relevante beziehungsweise eckdrehmomentrelevante Volllastbereich wird durch Zuschaltung der Diffusorbeschaufelung 9 und Schließung des Trimmstellers 11 im Verdichterkennfeld abgedeckt. Die Schaltung des Maßnahmensystems erfolgt wie beschrieben innerhalb des Schaltkorridors 33. Bei Vorhandensein einer variablen Turbinengeometrie werden das VTG-Leitgitter beziehungsweise die entsprechenden Leitschaufeln 16 der Turbine 3 in diesem Betriebsbereich ebenfalls durch den gemeinsamen Aktuator 37 bedarfsgerecht geschlossen.
Im Bereich der Nennleistung P_Nenn können die Leitschaufeln 16 bei Einsatz eines größeren Verdichters mit verbessertem Wirkungsgradniveau tendenziell weiter geöffnet werden. Der verringerte Aufstaubedarf vor der VTG-Turbine 3 wirkt sich somit ferner positiv auf das motorische Ladungswechselverhalten aus und trägt in diesem Zuge zur Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs des Verbrennungsmotors bei.
Die Bezugszeichen η_V,Max bezeichnen Bereiche eines besonders guten Wirkungsgrades des Verdichters 2 in 9 und 10. Es ist zu erkennen, dass der Bereich η_V,Max in 9 entsprechend größer ist und einen größeren Teil des Kennfeldes abdeckt als der Bereich η_V,Max in 9.
Durch den Einsatz eines größeren Verdichters 2 in Kombination mit dem Trimmsteller 11 und einer Diffusorbeschaufelung 9 im Bereich η_V,Max 9 ergibt sich die Möglichkeit zur Leistungssteigerung, zur Drehmomentsteigerung, zur Umsetzung von Miller-Steuerzeiten, zur Umsetzung von Miller-Hochleistungskonzepten unter voller Nutzung des Leistungspotentials der VTG-Turbine 3, ohne Einbußen im darstellbaren Eckdrehmoment LET hinnehmen zu müssen beziehungsweise bei Verbesserung des Eckdrehmomentes LET.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturboladeranordnung
2: Verdichter
3: Turbine
4: Welle
5: Verdichtergehäuse
6: Turbinengehäuse
7: Laufrad
8: Diffusorkanal
9: Diffusorbeschaufelung
10: Vorleiteinrichtung
11: Trimmsteller
12: Leitschaufel
13: Leitgitterring
14: Gehäuseaufnahme
15: Seitenwand
16: Leitschaufel
17: Druckverhältnis
18: Verdichtermassenstrom
19: Pumpgrenze
20: Pumpgrenze
21: Pumpgrenze
22: Eckdrehmoment
23: Eckdrehmoment
24: Eckdrehmoment
25: Bereich mit Wirkungsgradvorteil
26: Bereich mit Wirkungsgradvorteil
27: Drehmoment
28: Motordrehzahl
29: Kennfeldbereich
30: Kennfeldbereich
31: Kennfeldbereich
32: Kennfeldbereich
33: Schaltkorridor
34: Pumpgrenze
35: Pumpgrenze
36: Aktorik
37: Aktuator
38: Betätigungsmittel
39: Betätigungsmittel
40: Betätigungsmittel
41: Anschlag
42: Anschlag
43: Federmittel
44: Federmittel
45: Betätigungsarm
46: Betätigungsarm
47: Volllastanforderung
48: Volllastanforderung
49: Eckdrehmoment
50: Eckdrehmoment
51: Pumpgrenze
52: Kennfeld
53: Übersetzungsglied
LET: Eckdrehmoment
P_Nenn: Nennleistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19956896 C1 [0004]
DE 102013003418 A1 [0006]
DE 102013007333 A1 [0007]

Claims

Abgasturboladeranordnung (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verdichter (2) und mit einer Turbine (3), wobei der Verdichter (2) ein Laufrad (7) aufweist, wobei mittels des Laufrades (7) Frischgas über eine variable Diffusorbeschaufelung (9) in einen Diffusorkanal (8) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Laufrades (7) des Verdichters (2) eine Vorleiteinrichtung (10) angeordnet ist.
Abgasturboladeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorleiteinrichtung (10) als Trimmsteller (11) ausgebildet ist, wobei mittels des Trimmstellers (11) ein Einströmquerschnitt des Verdichters (2) veränderbar ist.
Abgasturboladeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmsteller (11) in genau zwei Stellstufen schaltbar ist, wobei in einer ersten Stellstufe der Einströmquerschnitt freigegeben ist und in einer zweiten Stellstufe der Einströmquerschnitt verringert ist.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusorbeschaufelung (9) einen axial verschiebbaren Leitapparat mit mehreren Leitschaufeln (12) aufweist.
Abgasturboladeranordnung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (12) in einer ersten ausgefahrenen Schaltstellung und einer zweiten eingeschobenen Schaltstellung anordbar sind, wobei in der ausgefahrenen Schaltstellung die Leitschaufeln (12) nicht in den Diffusorkanal (8) hineinragen.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Diffusorbeschaufelung (9) einen Leitapparat mit mehreren drehbar angeordneten Leitschaufeln (12) aufweist.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) als VTG-Turbine (3) ausgestaltet ist, wobei in einem Turbinengehäuse (6) mehrere verstellbare Leitschaufeln (16) vorgesehen sind.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trimmsteller (11), die Diffusorbeschaufelung (9) und die VTG-Turbine (3) über eine gemeinsame Aktorik (36) schaltbar sind.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erweiterung des Verdichterkennfeldes der Trimmsteller (11) schließbar und die Diffusorbeschaufelung (9) in den Diffusorkanal (8) einschiebbar sind, wenn der Betriebspunkt des Verdichters (2) innerhalb eines Schaltkorridors (33) liegt, wobei der Schaltkorridor (33) innerhalb eines stabilen Arbeitsbereiches des Verdichters (2) alleine, nämlich benachbart zu einer Pumpgrenze (34) des Verdichters (2) liegt, wobei diese Pumpgrenze (34) sich durch den Betrieb des Trimmstellers (11) in der geöffneten Stellstufe und der Diffusorbeschaufelung (9) in der herausgefahrenen Schaltstellung ergibt.
Abgasturboladeranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (7) einen Durchmesser zwischen 30 mm und 50 mm aufweist.