DE102015209704A1 - Compressor with variable flow geometry - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung (10) mit einem Verdichterlaufrad (50), einem stromauf des Verdichterlaufrads angeordneten Anströmkanal (20) und einer Einstellvorrichtung (30) zum Verändern eines Strömungsquerschnitts des Anströmkanals wie etwa einem Trimsteller, wobei die Einstellvorrichtung eine im Anströmkanal angeordnete Blende (32) mit einer zentralen Blendenöffnung (34) und mindestens einer weiteren Blendenöffnung in Form eines zumindest teilweise verschließbaren Blendenfensters (36) aufweist.The invention relates to a compressor arrangement (10) having a compressor impeller (50), an inflow passage (20) arranged upstream of the compressor impeller and an adjusting device (30) for changing a flow cross section of the inflow passage, such as a trim adjuster, the adjustment device comprising a diaphragm (14) arranged in the inflow passage (US Pat. 32) with a central aperture (34) and at least one further aperture in the form of an at least partially closable aperture window (36).
Description
Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung mit einem Verdichterlaufrad, einem stromauf des Verdichterlaufrads angeordneten Anströmkanal und einer Einstellvorrichtung zum Verändern eines Strömungsquerschnitts des Anströmkanals stromauf des Verdichterlaufrads wie etwa einem Trimsteller, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Verdichteranordnung ist als Teil eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine einsetzbar. The invention relates to a compressor arrangement having a compressor impeller, an inflow channel arranged upstream of the compressor impeller, and an adjusting device for changing a flow cross section of the inflow channel upstream of the compressor impeller, such as a trim plate, according to the preamble of
Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs, aber auch zur Erhöhung der Abgasrückführungsrate, werden bei Brennkraftmaschinen wie etwa Diesel- und Ottomotoren Abgasturbolader eingesetzt. Mit einem Verdichter des Abgasturboladers wird das über den Frischgasstrang der Brennkraftmaschine zugeführte Frischgas verdichtet. Um die Variabilität und das Ansprechverhalten von Turboladern zu verbessern, kommen regelmäßig variable Turbinengeometrien (VTG) zum Einsatz. Eine variable Verdichtergeometrie erhöht als weitere Technologie die Variabilität des Aufladesystems. To reduce fuel consumption, but also to increase the exhaust gas recirculation rate, exhaust gas turbochargers are used in internal combustion engines such as diesel and gasoline engines. With a compressor of the exhaust gas turbocharger, the fresh gas supplied via the fresh gas train of the internal combustion engine is compressed. In order to improve the variability and the response behavior of turbochargers, variable turbine geometries (VTG) are regularly used. A variable compressor geometry increases the variability of the charging system as another technology.
Mit dem steigenden Aufladegrad moderner Verbrennungsmotoren steigen auch die Anforderungen an den Betriebsbereich (Kennfelder) der Abgasturbolader. Hintergrund sind die Anforderungen des Verbrennungsmotors, bereits bei möglichst niedrigen Motordrehzahlen das maximale Drehmoment zu erreichen, bei gleichzeitig stetig ansteigender Nennleistung. Insbesondere bei mono-turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren muss der Turbolader dabei bereits bei niedrigen Luftmassenströmen hohe Ladedrücke gewährleisten (Bereich der Pumpgrenze) und gleichzeitig den hohen Luftmassenstrom bei Nennleistung mit den geforderten Ladedrücken ermöglichen. Herkömmliche Turbolader kommen im Rahmen dieser Anforderungen schnell an ihre Grenzen bezüglich der möglichen Betriebsbereichsspreizung (Kennfeldbreite) der Verdichter- und Turbinenstufe. Die oben beschriebene VTG-Technologie wird bereits in vielen Anwendungen auf der Turbinenseite eingesetzt, um einen möglichst breiten Betriebsbereich der Turbinenstufe zu ermöglichen. Auch auf der Verdichterseite gibt es bereits zahlreiche Ansätze, durch Variabilitäten den Betriebsbereich der Verdichterstufe zu erweitern. In bisherigen Konzepten wurde mittels einer Vorleiteinrichtung der dem Verdichterlaufrad zugeführten Frischluft ein Drall aufgeprägt, welcher den Eintrittswinkel der Luftströmung auf das Verdichterlaufrad bzw. Schaufelrad verbessert. Diese Maßnahme wirkt Strömungsablösungen bei niedrigen Massenströmen entgegen. With the increasing charging level of modern internal combustion engines, the demands on the operating range (maps) of the turbocharger also increase. The background to this are the requirements of the internal combustion engine to achieve the maximum torque even at the lowest possible engine speeds, while at the same time constantly increasing the rated output. Particularly in the case of mono-turbocharged internal combustion engines, the turbocharger must ensure high charge pressures even at low air mass flows (range of the pumping limit) and at the same time enable the high air mass flow at rated power with the required boost pressures. Within the scope of these requirements, conventional turbochargers quickly reach their limits with regard to the possible operating range spread (characteristic map width) of the compressor and turbine stages. The VTG technology described above is already being used in many applications on the turbine side in order to enable the widest possible operating range of the turbine stage. Also on the compressor side, there are already numerous approaches to expand the operating range of the compressor stage by means of variability. In previous concepts, a swirl was imparted by means of a Vorleiteinrichtung the fresh air supplied to the compressor impeller, which improves the entry angle of the air flow to the compressor impeller or impeller. This measure counteracts flow separation at low mass flows.
Zur Darstellung großer Zylinderfüllungen und Motordrehmomente ist ein kleiner Verdichtertrim notwendig, und zur Darstellung von hohen Motorleistungen bei Nenndrehzahl ein großer Verdichtertrim. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, einen Anströmkanal mit Trimvariabilität vorzusehen. Eine Einstellvorrichtung wie etwa ein Trimsteller dient dabei der Verschiebung der Pumpgrenze eines Verdichterkennfelds in Richtung niedriger Massenströme bei hohen Druckverhältnissen. Gleichzeitig kann ein Trimsteller im Bereich der Pumpgrenze einen Anstieg des Verdichterwirkungsgrads bewirken. Hierzu umfasst ein Trimsteller eine Einstellvorrichtung, durch die der Anströmquerschnitt, in dem das Laufrad des Verdichters angeströmt wird, bzw. der Strömungsquerschnitt des Anströmkanals vor dem Laufrad veränderbar ist. Durch die so erreichte Düsenwirkung des Trimstellers kann mit zunehmendem Regeleingriff (Verkleinerung des Strömquerschnitts) die Verdichteranströmung stärker auf den nabennahen Strömungsquerschnitt des Verdichterlaufrads fokussiert werden. Dadurch strömt weniger Fluid in den impulsarmen und verlustbehafteten Bereich der Rückströmblase und die Kernströmung im nabennahen Bereich wird beschleunigt und dadurch zusätzlich stabilisiert. Die Beschleunigung der Strömung im nabennahen Bereich des Verdichters hat zusätzlich eine saugseitige Verschiebung der Verdichteranströmung zur Folge, was zu einer weiteren Stabilisierung der Strömung beitragen kann. Die Stabilisierung der Kernströmung führt zu der gewünschten Verschiebung der Pumpgrenze des Verdichterkennfelds zu geringeren Massenströmen. Bei nicht gewünschtem Regeleingriff (Trimsteller vollständig geöffnet) wird möglichst der gesamte Querschnitt des Anströmkanals des Frischgasstrangs vor dem Verdichter freigegeben, so dass in der Laufrad-Anströmung möglichst keine zusätzlichen Reibungs- oder Drosselverluste entstehen. Der Verdichterwirkungsgrad und die Breite des Verdichterkennfelds werden deshalb in Richtung der Stopfgrenze nicht wesentlich negativ durch den Trimsteller beeinflusst. To represent large cylinder fillings and engine torques, a small compressor trim is necessary, and to display high engine power at rated speed a large compressor trim. For this reason, it may be advantageous to provide a flow channel with trim variability. An adjustment device such as a trim plate serves to shift the surge limit of a compressor map in the direction of low mass flows at high pressure conditions. At the same time, a trim control can increase the compressor efficiency in the area of the pumping limit. For this purpose, a trim plate comprises an adjusting device, by means of which the inflow cross-section, in which the impeller of the compressor is flown, or the flow cross-section of the inflow channel in front of the impeller can be changed. Due to the nozzle effect of the trim adjuster achieved in this way, with increasing control engagement (reduction of the flow cross-section) the compressor inflow can be focused more strongly on the impeller-near flow cross-section of the compressor impeller. As a result, less fluid flows into the low-pulse and lossy region of the backflow bubble, and the core flow in the region near the hub is accelerated and thereby additionally stabilized. The acceleration of the flow in the region near the hub of the compressor also results in a suction-side displacement of the compressor inlet, which can contribute to a further stabilization of the flow. The stabilization of the core flow leads to the desired shift of the surge limit of the compressor map to lower mass flows. If not desired control intervention (Trimsteller fully open) as far as the entire cross-section of the inflow channel of the fresh gas line is released before the compressor, so that in the impeller flow as possible no additional friction or throttle losses. The compressor efficiency and the width of the compressor map are therefore not significantly adversely affected in the direction of Stopfgrenze by the Trimsteller.
Eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine ist aus der
Die Druckschriften
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In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichteranordnung mit Trimvariabilität bereitzustellen, die eine besonders einfache und zuverlässige Regelbarkeit des Anströmquerschnitts ermöglicht und eine höhere Dauerfestigkeit aufweist als die oben genannten Verdichteranordnungen aus dem Stand der Technik. In view of the described problems, it is the object of the present invention to provide a compressor arrangement with trim variability, which allows a particularly simple and reliable controllability of the flow cross section and a higher fatigue strength than the above-mentioned compressor arrangements of the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verdichteranordnung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. This object is achieved by a compressor arrangement of o.g. Art solved with the features characterized in
Die Einstellvorrichtung der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung weist eine im Anströmkanal angeordnete Blende mit einer zentralen Blendenöffnung und mindestens einer weiteren Blendenöffnung in Form eines zumindest teilweise verschließbaren Blendenfensters auf. Anders als das Blendenfenster ist die zentrale Blendenöffnung nicht notwendigerweise verschließbar und bildet damit einen von dem Frischgas in Richtung auf das Verdichterlaufrad durchströmbaren und stets offenen Trimkanal, der eine zentrale Anströmung des Verdichterlaufrads ermöglicht. The adjusting device of the compressor arrangement according to the invention has a diaphragm arranged in the inflow channel with a central diaphragm opening and at least one further diaphragm opening in the form of an at least partially closable diaphragm window. Unlike the aperture window, the central aperture is not necessarily closed and thus forms a of the fresh gas in the direction of the compressor impeller flowed through and always open trim channel, which allows a central flow of the compressor impeller.
Das mindestens eine Blendenfenster, das im Anströmkanal radial weiter außen als die zentrale Blendenöffnung angeordnet ist, ist zumindest teilweise, je nach Bedarf vorzugsweise auch vollständig verschließbar, so dass unter Aufrechterhaltung eines Mindest-Anströmquerschnitts durch die zentrale Blendenöffnung der Strömungsquerschnitt des Anströmkanals durch Öffnen oder Schließen des Blendenfensterns vergrößerbar oder verkleinerbar ist. Damit basiert die erfindungsgemäße Verdichteranordnung auf dem Wirkprinzip der Verengung des Verdichtereintrittsquerschnitts, wodurch die Strömungseintrittsgeschwindigkeit erhöht wird. The at least one aperture window, which is arranged radially further outward than the central aperture opening in the inflow channel, is preferably also completely closable, so that while maintaining a minimum inflow cross section through the central aperture opening, the flow cross section of the inflow channel can be closed or opened of the aperture window is enlarged or reduced. Thus, the compressor arrangement according to the invention is based on the operating principle of the constriction of the compressor inlet cross-section, whereby the flow inlet velocity is increased.
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass komplex aufgebaute Trimsteller potentiell anfälliger für Störungen, etwa bei Extremtemperaturen und Verschmutzungen sind. Dagegen ist die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung, die eine Blende mit mindestens zwei Öffnungen aufweist, nämlich der den zentralen Trimkanal bildenden zentralen Blendenöffnung und dem außermittig angeordneten verschließbaren Blendenfenster, besonders robust und damit stabil gegenüber Extrembelastungen. Im Hinblick auf einen einfachen und zweckmäßigen Aufbau umfasst die Blende vorzugsweise eine quer, insbesondere etwa senkrecht zur Strömungsrichtung im Anströmkanal verlaufende Anströmfläche, in der die Blendenfenster als Öffnungen gebildet sind. Blendenfenster sind mit einfachen Mitteln und stufenlos je nach Bedarf von der vollständig geöffneten Stellung in die vollständig geschlossenen Stellung verstellbar, so dass die erfindungsgemäße Verdichteranordnung besonders zuverlässig regelbar ist. The invention is based on the recognition that complex structured trim plates are potentially more susceptible to disturbances, for example at extreme temperatures and soiling. In contrast, the adjustment device according to the invention, which has a diaphragm with at least two openings, namely the central trim opening forming the central aperture and the eccentrically arranged closable aperture window, particularly robust and thus stable against extreme loads. With regard to a simple and expedient construction, the diaphragm preferably comprises an inflow surface running transversely, in particular approximately perpendicularly to the flow direction in the inflow channel, in which the diaphragm windows are formed as openings. Aperture windows are adjustable by simple means and continuously as needed from the fully open position to the fully closed position, so that the compressor assembly according to the invention is particularly reliable controllable.
Im Hinblick auf eine verbesserte Variabilität und schnelle Regelbarkeit der Strömungsquerschnittsfläche des Anströmkanals hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Blende zwei, drei oder mehr, insbesondere etwa sechs vorzugsweise verschließbare Blendenfenster aufweist, die ringförmig um die zentrale Blendenöffnung herum angeordnet sind. Dabei ist die zentrale Blendenöffnung vorzugsweise kreisförmig, und die Blendenfenster umlaufen sie jeweils im Wesentlichen kreisringsegmentförmig. In diesem Fall wird ein runder Querschnitt des Anströmkanals und des Verdichterlaufrads bestmöglich ausgenutzt. Zwischen den einzelnen Blendenöffnungen können jeweils Verbindungssegmente wie etwa Stege angeordnet sein, die die einzelnen Blendenfenster voneinander trennen. With regard to an improved variability and rapid controllability of the flow cross-sectional area of the inflow channel, it has proven to be advantageous for the aperture to have two, three or more, in particular approximately six, preferably closable aperture windows, which are arranged annularly around the central aperture. In this case, the central aperture is preferably circular, and the aperture windows each circulate substantially circular ring segment. In this case, a round cross-section of the inflow channel and the compressor impeller is used in the best possible way. Between the individual apertures connecting segments such as webs can be arranged, which separate the individual aperture windows from each other.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Blendenfenster ist dadurch ausgezeichnet, dass von den n (n > 1) Blendenfenstern zwei benachbarte Blendenfenster jeweils einen Winkel von etwa 360°/n einschließen und/oder jedes Blendenfenster kreisringsegmentförmig mit einem Segmentwinkel von 360°/2n eingerichtet ist. Mit anderen Worten weisen korrespondierende Geometrien der benachbarten Blendenfenster einen Winkelabstand von 360°/n bezogen auf die Mittelachse der Einstellvorrichtung auf. Korrespondierende Geometrien sind beispielsweise die Blendenfenstermitten, die rechten Blendenfensterrahmen oder die linken Blendenfensterrahmen. A particularly advantageous arrangement of the aperture windows is characterized in that of the n (n> 1) aperture windows, two adjacent aperture windows in each case enclose an angle of approximately 360 ° / n and / or each aperture window is configured in the form of a circular ring segment with a segment angle of 360 ° / 2n. In other words, corresponding geometries of the adjacent diaphragm windows have an angular spacing of 360 ° / n relative to the center axis of the adjustment device. Corresponding geometries are, for example, the aperture window centers, the right aperture window frames or the left aperture window frames.
Eine schnelle und zuverlässige Regelbarkeit des Anströmquerschnitts durch Verschließen bzw. Öffnen der Blendenfenster kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Blendenfenster bevorzugt gleichzeitig durch Verstellen, insbesondere durch Verdrehen, eines beweglichen Verschließteils wie etwa einer Ringscheibe gegenüber einem im Anströmkanal feststehenden Blendenabschnitt teilweise oder vollständig verschließbar oder öffenbar sind. Vorzugsweise ist das verdrehbare Verschließteil stromauf der Blende an einer im Wesentlichen ringförmigen, ebenen Anströmfläche der Blende angelegt, die die Blendenfenster aufweist, so dass es durch das anströmende Frischgas in Richtung der Anströmfläche gedrängt wird. Dadurch wird die Stabilität der Einstellvorrichtung insgesamt erhöht. A fast and reliable controllability of the inflow cross section by closing or opening the aperture window can be provided by opening, in particular by adjusting, in particular by turning, a movable closure member such as an annular disc against a stationary in the inflow passage aperture portion partially or completely closed or opened are. Preferably, the rotatable closure member applied upstream of the diaphragm on a substantially annular, flat inflow surface of the diaphragm, which has the aperture window, so that it is urged by the incoming fresh gas in the direction of the inflow surface. As a result, the stability of the adjusting device is increased overall.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verschließteil eine an dem feststehenden Blendenabschnitt anliegende, um die Längsachse des Anströmkanals drehbare Ringscheibe mit einer an die zentrale Blendenöffnung angepassten zentralen Ringöffnung und an die Blendenfenster angepassten, die zentrale Ringöffnung jeweils abschnittsweise umlaufenden Ringfenstern, die analog geformt sind wie die Blendenfenster. In der vollständig geöffneten Stellung der Einstellvorrichtung ist die Winkellage der Ringscheibe derart eingerichtet, dass sich die Blendenfenster im Wesentlichen mit den gleich geformten Ringfenstern überlagern, so dass alle Blendenfenster vollständig geöffnet sind. In der vollständig geschlossenen Stellung der Einstellvorrichtung, in der nur die den Trimkanal bildende zentrale Blendenöffnung geöffnet ist, ist die Winkellage der Ringscheibe derart eingerichtet, dass die Blendenfenster durch die Stege zwischen den Ringfenstern abgedeckt sind. Beliebige Zwischen-Winkelstellungen sind vorteilhafterweise möglich. In der vollständig geöffneten Stellung ermöglichen die Blendenfenster den Beibehalt der Stopfgrenze des Verdichters bei gleich hohen Durchsätzen, welche im Normalfall bei kleinerem Trim in Richtung kleinerer Durchsätze verschoben wird. Durch den Einsatz dieser Drehscheibe wird somit eine stufenlose Trimvariabilität des Verdichter-Eintritts ermöglicht. Die drehbare Scheibe hat die Vorteile der einfachen Umsetzbarkeit, einfachen Regelbarkeit, geringen Bauform und hohen Robustheit gegenüber Verschmutzungen, Vereisungen, etc. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the closing part is an adjacent to the fixed aperture portion, rotatable about the longitudinal axis of the inflow channel annular disc with a central aperture adapted to the central aperture and adapted to the aperture window, the central ring opening in each case partially circumferential annular windows, the analog shaped are like the aperture windows. In the fully open position of the adjusting device, the angular position of the annular disk is set up such that the diaphragm windows are substantially superposed with the identically shaped annular windows, so that all the diaphragm windows are completely open. In the fully closed position of the adjusting device, in which only the trim aperture forming central aperture is opened, the angular position of the annular disc is set up such that the aperture windows are covered by the webs between the annular windows. Any intermediate angle positions are advantageously possible. In the fully open position, the aperture windows allow the compressor to maintain its stuffing limit at equally high flow rates, which are typically shifted toward smaller throughputs with a smaller trim. Through the use of this turntable thus a continuous trim variability of the compressor inlet is possible. The rotatable disc has the advantages of ease of implementation, easy controllability, small size and high resistance to contamination, icing, etc.
Wie bereits oben angedeutet, wird durch die zentrale Blendenöffnung ein Trimkanal mit vergleichsweise kleinem Strömungsquerschnitt ausgebildet. Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die zentrale Blendenöffnung in Form eines zu einem zentralen Abschnitt des Verdichterlaufrads hin mündenden Rohrabschnitts gebildet ist. Mit anderen Worten weist die Blende stromab der zentralen Blendenöffnung einen Rohrabschnitt mit vorgegebenem eingeschränktem Trimquerschnitt auf, durch den das Frischgas ggf. mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf einen zentralen Abschnitt des Verdichterlaufrads geführt werden kann. Aufgrund der düsenförmigen Auslegung dieses Strömungskanals vor dem Verdichterlaufrad entstehen durch die sich im Anströmkanal befindlichen Bauteile kaum Druckverluste. Im geschlossenen Zustand der Blendenfenster ist der Strömungsquerschnitt auf den Querschnitt des Rohrabschnitts reduziert. Dies ermöglicht die Anhebung der Strömungsgeschwindigkeit und Senkung der wirksamen Umfangsgeschwindigkeit bei niedrigen Durchsätzen und dadurch eine Verschiebung der Pumpgrenze in Richtung niedriger Massenströme. As already indicated above, a trim channel with a comparatively small flow cross-section is formed by the central aperture. For this purpose, it has proved to be advantageous that the central aperture is formed in the form of a pipe section which opens toward a central section of the compressor impeller. In other words, the orifice downstream of the central orifice has a pipe section with a predetermined restricted trim cross section, through which the fresh gas can optionally be conducted at high flow velocity in the direction of a central section of the compressor impeller. Due to the nozzle-shaped design of this flow channel in front of the compressor impeller caused by the located in the inflow passage components hardly pressure losses. In the closed state of the aperture window, the flow cross section is reduced to the cross section of the pipe section. This allows the flow rate to be increased and the effective peripheral speed to be lowered at low flow rates, thereby shifting the surge line toward lower mass flows.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Einstellvorrichtung, bei der zwischen einer Innenwand des Anströmkanals und einer Außenwand des Rohrabschnitts ein den Rohrabschnitt ringförmig umlaufender Zuschaltkanal gebildet ist, der durch das mindestens eine verschließbare Blendenfenster anströmbar ist. Vorzugsweise ist dabei der Innenraum des Rohrabschnitts durch die zentrale Blendenöffnung anströmbar, während der den Rohrabschnitt koaxial umlaufende Zuschaltkanal durch die verschließbaren Blendenfenster anströmbar ist und damit je nach Bedarf zugeschaltet oder aus dem Strömungsweg herausgenommen werden kann. Particularly advantageous is an embodiment of the adjustment, in which between the inner wall of the inflow channel and an outer wall of the pipe section, a pipe section annularly surrounding Zuschaltkanal is formed, which can be flowed through by the at least one closable aperture window. Preferably, the interior of the pipe section through the central aperture is flowed, while the pipe section coaxial circumferential Zuschaltkanal is flowed through by the closable aperture window and thus switched on as needed or can be taken out of the flow path.
Eine weitere Erhöhung der Variabilität des Trimstellers, die eine verbesserte Anpassung an verschiedene Betriebsbereiche ermöglicht, kann dadurch erreicht werden, dass in der Wand des Rohrabschnitts zumindest ein und bevorzugt mehrere Durchlässe wie etwa Löcher gebildet sind, die eine Gasdurchströmung der Rohrwand des Rohrabschnitts erlauben. A further increase in the variability of the trim adjuster, which allows an improved adaptation to different operating ranges, can be achieved by forming in the wall of the pipe section at least one and preferably several passages, such as holes, which allow gas to flow through the pipe wall of the pipe section.
Diese Durchlässe in der Wand des Rohrabschnitts sind bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verschließbar und öffenbar eingerichtet, wobei vorzugsweise eine stufenlose Verstellung zwischen einer vollständig geöffneten Stellung und einer vollständig geschlossenen Stellung möglich ist. In a particularly preferred embodiment of the invention, these passages in the wall of the tube section are closable and openable, wherein preferably a continuous adjustment between a fully opened position and a fully closed position is possible.
Damit weist die erfindungsgemäße Verdichteranordnung zum einen die vorzugsweise verschließbaren Blendenfenster und zum anderen die vorzugsweise ebenfalls verschließbaren Strömungsdurchlässe in der Wand des Rohrabschnitts auf, die den zentralen Trimkanal von dem ihn ringförmig umlaufenden Zuschaltkanal trennt. Durch die verschließbaren und öffenbaren Durchlässe kann somit die Strömungsquerschnittsfläche zwischen dem Zuschaltkanal und dem zentralen Trimkannal je nach Bedarf angepasst werden. Thus, the compressor assembly according to the invention on the one hand, the preferably closable aperture window and on the other also preferably closable flow passages in the wall of the pipe section, which separates the central trim channel of him annularly surrounding Zuschaltkanal. By the closable and openable passages thus the flow cross-sectional area between the Zuschaltkanal and the central Trimkannal can be adjusted as needed.
Da die Wand des Rohrabschnitts nicht senkrecht im Strömungskanal steht, sondern zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in Richtung des Strömungskanals verläuft, verlaufen die Durchlässe nicht notwendigerweise senkrecht durch die Wand des Rohrabschnitts, sondern können in strömungsoptimierter Weise schräg bzgl. der Hauptströmungsrichtung des zentralen Trimkanals in die Rohrabschnittswand eingebracht sein, um auf diese Weise Verwirbelungen der von dem Zuströmkanal durch die Rohrabschnittswand in den zentralen Trimkanal strömenden Luft zu vermeiden. Since the wall of the pipe section is not perpendicular to the flow channel, but at least partially extends substantially in the direction of the flow channel, the passages do not necessarily extend perpendicularly through the wall of the pipe section, but can in flow-optimized manner obliquely with respect to the main flow direction of the central trim channel in the pipe section wall be introduced in order to avoid in this way turbulence of the air flowing from the inflow channel through the pipe section wall in the central trim channel air.
Ebenso wie die verschließbaren Blendenfenster ist vorzugsweise der mindestens eine und vorzugsweise alle Durchlässe durch Verstellen, insbesondere durch Verdrehen eines beweglichen Abdeckteils gegenüber der im Anströmkanal feststehenden Blende teilweise oder vollständig verschließbar und öffenbar. In der Öffnungsstellung fluchten dazu Durchlässe des Abdeckteils mit den Durchlässen in der Rohrabschnittswand, so dass eine Durchströmung möglich ist, und in der Schließstellung sind die Durchlässe in der Rohrabschnittswand von einer geschlossenen Wand des Abdeckteils abgedeckt und damit verschlossen. As well as the closable aperture window is preferably at least one and preferably all passages by adjusting, in particular by turning a movable cover with respect to the diaphragm fixed in the inflow partially or completely closed and opened. In the open position, passages of the cover with the passages in the pipe section wall are aligned so that a flow is possible, and in the closed position, the passages in the pipe section wall are covered by a closed wall of the cover and thus closed.
Das Abdeckteil kann einen an der Innenfläche der Wand des Rohrabschnitts anliegenden Hülsenabschnitt aufweisen, der um den zentralen Trimkanal herum verdrehbar eingerichtet ist und eine Anordnung von Durchlässen aufweist, die der Anordnung von Durchlässen in dem Rohrabschnitt entspricht und in eine damit fluchtende Stellung verdrehbar ist. The cover member may include a sleeve portion abutting the inner surface of the wall of the tubular portion and rotatable about the central trim channel and having an array of passages corresponding to the array of apertures in the tubular portion and rotatable into a position aligned therewith.
Im Hinblick auf eine einfache und zuverlässige Verstellbarkeit der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Verschließteil integral mit dem Abdeckteil gebildet ist. Mit anderen Worten ist das zum Verschließen der Blendenöffnungen eingerichtete Verschließteil zusammen mit dem einteilig damit gebildeten Abdeckteil zum Verschließen der Durchlässe im Rohrabschnitt verdrehbar. Dabei kann das Verschließteil in Form der etwa senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in dem Anströmkanal verlaufenden Ringscheibe ausgebildet sein, und/oder das Abdeckteil kann im Form eines ausgehend von der Ringscheibe in den Rohrabschnitt hineinragenden Hülsenabsatzes gebildet sein. With regard to a simple and reliable adjustability of the compressor assembly according to the invention, it has proven to be advantageous for the closure part to be formed integrally with the cover part. In other words, the closing part provided for closing the apertures is rotatable together with the cover member integrally formed therewith for closing the passages in the pipe section. In this case, the closure member may be formed in the form of approximately perpendicular to the main flow direction in the inflow passage annular disc, and / or the cover member may be formed in the form of a protruding from the annular disc in the pipe section sleeve paragraph.
Die eingangs erläuterten hohen Anforderungen an die Betriebsbereiche von Turboladern können besonders gut mit einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung erfüllt werden, die vorzugsweise stufenlos mittels der Einstellvorrichtung in zwei, drei oder mehr Betriebsstellungen verstellbar ist, wobei die Betriebsstellungen wie folgt eingerichtet sind:
In einer ersten Betriebsstellung sind sowohl die Blendenfenster als auch die Rohrdurchlässe zum Verhindern einer Durchströmung geschlossen, so dass das Verdichterlaufrad über den zentralen Trimkanal anströmbar ist. Hierdurch kann aufgrund des stark verengten Strömungsquerschnitts im Anströmkanal ein guter Wirkungsgrad des Verdichters bei kleiner Motordrehzahl erreicht werden. The above-described high demands on the operating ranges of turbochargers can be particularly well met with a compressor assembly according to the invention, which is preferably infinitely adjustable by means of the adjustment in two, three or more operating positions, the operating positions are set up as follows:
In a first operating position, both the diaphragm windows and the pipe passages to prevent flow through are closed, so that the compressor impeller can be flowed over via the central trim channel. As a result, a good efficiency of the compressor can be achieved at low engine speed due to the highly narrowed flow cross-section in the inflow passage.
In einer zweiten Betriebsstellung ist zumindest ein Blendenfenster und vorzugsweise alle Blendenfenster geöffnet, und zumindest ein Rohrdurchlass und vorzugsweise alle Rohrdurchlässe sind geschlossen. Mit anderen Worten ist das Verdichterlaufrad sowohl über den zentralen Trimkanal als auch durch die geöffneten Blendenfenster über den Zuschaltkanal anströmbar. Hierdurch ist aufgrund des großen Strömungsquerschnitts im Anströmkanal ein hoher Luftdurchsatz durch den Verdichter möglich, der insbesondere bei hohen Motordrehzahlen bzw. unter Volllast gewünscht ist. Zwischen der ersten und der zweite Betriebsstellung ist vorzugsweise eine stufenlose Verstellung des Strömungsquerschnitts möglich. In a second operating position, at least one aperture window and preferably all the aperture windows are opened, and at least one pipe passage and preferably all pipe outlets are closed. In other words, the compressor impeller can be flown over both via the central trim channel and through the open aperture window via the Zuschaltkanal. As a result, a high air flow rate through the compressor is possible due to the large flow cross-section in the inflow passage, which is desired in particular at high engine speeds or under full load. Between the first and the second operating position, a stepless adjustment of the flow cross section is preferably possible.
In einer dritten Betriebsstellung ist zumindest ein Blendenfenster und bevorzugt alle Blendenfenster geschlossen, und zumindest ein Rohrdurchlass und bevorzugt alle Rohrdurchlässe sind geöffnet. In dieser dritten Betriebsstellung ist das Verdichterlaufrad über den zentralen Trimkanal sowie über eine unten beschriebene Abgasrückführung, die in dem Zuschaltkanal mündet, aufgrund der geöffneten Durchlässe mit hoher Durchflussrate anströmbar. In a third operating position, at least one aperture window and preferably all aperture windows are closed, and at least one tube passage and preferably all tube passages are open. In this third operating position, the compressor impeller via the central trim channel and via an exhaust gas recirculation described below, which opens into the Zuschaltkanal, due to the open passages flowable at high flow rate.
Eine weitere Betriebsstellung, in der sowohl die Blendenfenster als auch die Durchlässe vollständig geöffnet sind, ist nicht notwendigerweise vorgesehen, da eine solche Betriebsstellung potentiell zu Verwirbelungen und anderen Strömungsproblemen des durch die Blendenfenster und durch die Durchlässe strömenden Gases führen kann. Another operating position, in which both the aperture windows and the passages are fully open, is not necessarily provided because such an operating position can potentially lead to turbulence and other flow problems of the gas flowing through the aperture windows and through the passages.
Bei heutigen Verbrennungsmotoren wird zunehmend eine Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) eingesetzt, um gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte zu erreichen. Das stromab einer Turbine eines Abgasturboladers entnommene Abgas wird dabei über eine Zuführung vor dem Verdichter des Abgasturboladers in den Anströmkanal des Frischluftstrangs eingeleitet und von diesem mit dem Frischgas angesaugt. Dabei sollte die Einleitung des rückgeführten Abgases möglichst nahe vor dem Verdichter erfolgen, um eine nicht gewünschte Kondensatbildung im Frischgas zu vermeiden oder gering zu halten. Für die Regelung der ND-AGR-Rate wird in die ND-AGR-Einleitung vor dem Verdichtereintritt meist ein Regelventil integriert. In today's internal combustion engines, a low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) is increasingly used to achieve legally prescribed emission limits. The exhaust gas taken downstream of a turbine of an exhaust-gas turbocharger is introduced via a feed in front of the compressor of the exhaust-gas turbocharger into the inflow channel of the fresh-air line and drawn in by it with the fresh gas. The introduction of the recirculated exhaust gas should be as close as possible in front of the compressor in order to avoid or keep unwanted condensate formation in the fresh gas. For regulating the LP EGR rate, a control valve is usually integrated into the LP EGR introduction prior to compressor entry.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Verdichteranordnung eine solche Abgasrückführung (AGR) auf, durch die aus dem Abgastrakt stammendes Abgas stromauf des Verdichterlaufrads in den Anströmkanal einleitbar ist. Sowohl die Zuleitung der AGR als auch die Einstellvorrichtung bzw. der Trimsteller sollten funktionsbedingt so dicht wie möglich vor dem Laufrad des Verdichters angeordnet sein, was eine konkurrierende Bauraumsituation zur Folge hat. Deshalb mündet die Abgasrückführung der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung bevorzugt im Bereich der Einstellvorrichtung in den Ansaugkanal. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Abgasrückführung zum Einleiten von Abgas in den Anströmkanal stromab der Blendenfenster, also zwischen Blende und Laufrad, angeordnet. The compressor arrangement according to the invention preferably has such exhaust gas recirculation (EGR), by means of which exhaust gas originating from the exhaust tract can be introduced into the inflow channel upstream of the compressor impeller. Both the supply line of the EGR and the setting device or the trim plate should be arranged as close as possible before the impeller of the compressor, which results in a competing installation space situation. Therefore, the exhaust gas recirculation of the compressor assembly according to the invention preferably opens in the region of the adjusting device in the intake passage. According to a particularly preferred embodiment, the exhaust gas recirculation for the introduction of Exhaust gas in the inflow passage downstream of the aperture window, ie between the aperture and impeller arranged.
Die AGR-Zumischung in den Anströmkanal ist vorzugsweise variabel eingerichtet. Zu diesem Zweck kann ein Regelventil in der Zuführleitung der Abgasrückführung angeordnet sein, um die Menge des dem Verdichter zuzuführenden Abgases einstellen zu können. The EGR admixture in the inflow duct is preferably set up variably. For this purpose, a control valve may be arranged in the exhaust gas recirculation supply line in order to be able to adjust the amount of exhaust gas to be supplied to the compressor.
Aus konstruktiven Gesichtspunkten hat sich eine seitlich einmündende Abgasrückführung in den Zuschaltkanal, der den Rohrabschnitt koaxial umläuft, als besonders zweckmäßig erwiesen. Damit kann der Zuschaltkanal zum einen durch Frischgas über die Blendenfenster und/oder zum anderen durch Abgas über die Abgasrückführung gespeist werden, wodurch eine individuelle und an den Bedarf angepasste Zumischung möglich ist. From a constructive point of view, a laterally opening exhaust gas recirculation in the Zuschaltkanal, which rotates the pipe section coaxially, has proved to be particularly useful. Thus, the Zuschaltkanal be fed to the one by fresh gas through the aperture window and / or the other by exhaust gas on the exhaust gas recirculation, creating an individual and adapted to the needs admixture is possible.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einstellung der AGR-Zumischung in den Anströmkanal durch die oben beschriebenen und vorzugsweise stufenlos öffenbaren und schließbaren Durchlässe in dem Rohrabschnitt möglich. Eine hohe AGR-Rate kann durch die Öffnung der Durchlässe in dem Rohrkanal eingestellt werden, da bei geöffneten Rohrdurchlässen ein großer Strömungsquerschnitt zwischen der Abgasrückführung und dem zentralen Trimkanal bzw. dem Verdichterlaufrad gebildet ist. According to a particularly preferred embodiment of the invention, an adjustment of the EGR admixture in the inflow passage through the above-described and preferably continuously openable and closable passages in the pipe section is possible. A high EGR rate can be adjusted through the opening of the passages in the pipe duct, since with open pipe passages a large flow cross-section between the exhaust gas recirculation and the central trim channel or the compressor impeller is formed.
Bei herkömmlichen ND-Abgasrückrührungen ist regelmäßig der Einsatz einer Abgasklappe im Abgastrakt zur Einstellung einer gewünschten AGR-Rate erforderlich. Ein Schließen der Abgasklappe führt zu einem höheren Abgasgegendruck im Abgastrakt und damit zu einer höheren AGR-Rate, wobei jedoch ein höherer Kraftstoffverbrauch mit einer geschlossenen Abgasklappe verbunden ist. In conventional ND Exhaust gas backflushes the use of an exhaust flap in the exhaust system to set a desired EGR rate is regularly required. Closing the exhaust flap leads to a higher exhaust back pressure in the exhaust tract and thus to a higher EGR rate, but with a higher fuel consumption associated with a closed exhaust flap.
Da die AGR-Rate bei der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung mittels der Einstellvorrichtung einstellbar ist, kann bei Einsatz der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung ggf. vollständig auf den Einsatz einer Abgasklappe verzichtet werden. Since the EGR rate in the compressor assembly according to the invention by means of the adjustment is adjustable, can be completely dispensed with the use of an exhaust valve when using the compressor assembly according to the invention, if necessary.
Die AGR-Rate kann erfindungsgemäß in einfacher Weise durch ein Öffnen der Durchlässe in der Wand des Rohrabschnitts erhöht werden, da dadurch der Strömungsquerschnitt zwischen der in den Zuschaltkanal einmündenden Abgasrückführung und dem das Verdichterlaufrad zentral anströmenden Trimkanal erhöht werden kann. Die oben erläuterte dritte Betriebsstellung mit geschlossenen Blendenfenstern und geöffneten Durchlässen dient damit insbesondere der Bereitstellung einer hohen ND-AGR-Rate in vorgegebenen Drehzahl- und Lastbereichen. According to the invention, the EGR rate can be increased in a simple manner by opening the passages in the wall of the pipe section, since the flow cross section between the exhaust gas recirculation opening into the connection channel and the trim channel centrally flowing to the compressor rotor can thereby be increased. The above-explained third operating position with closed diaphragm windows and open passages thus serves in particular to provide a high LP EGR rate in predetermined speed and load ranges.
Mit anderen Worten kann die Einstellvorrichtung bei der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung zum Verringern und/oder Vergrößern eines Strömungsquerschnitts zwischen der Abgasrückführung und dem zentralen Trimkanal bzw. dem Verdichterlaufrad eingerichtet sein. In other words, in the compressor arrangement according to the invention, the adjustment device can be designed to reduce and / or increase a flow cross section between the exhaust gas recirculation and the central trim channel or the compressor impeller.
Die Möglichkeit, über den beschriebenen Nebenkanal Abgas in den Frischlufttrakt einzuleiten, bietet aufgrund der stufenlosen Steuerung die Möglichkeit zur kennfeldweiten AGR-Nutzung. The possibility of introducing exhaust gas into the fresh air tract via the auxiliary duct described above offers the option of map-wide EGR utilization due to the stepless control.
Zur Bereitstellung der benötigten Antriebsleistung für den Verdichter bei geringen Massenströmen ist eine Kombination mit einem elektrischen Zusatzverdichter und/oder einem Wastegate möglich. To provide the required drive power for the compressor at low mass flows, a combination with an additional electric compressor and / or a wastegate is possible.
Die erfindungsgemäße Kombination aus Einstellvorrichtung bzw. Trimsteller und AGR-Einleitung im Anströmkanal des Frischluftstrangs sowie die dadurch mögliche variable Gasvermischung bieten eine besonders hohe Variabilität und gute Regelbarkeit der Verdichteranströmung und des Abgasturboladers insgesamt. The inventive combination of setting or Trimsteller and EGR introduction in the inflow of the fresh air line and the possible variable gas mixing thereby offer a particularly high variability and good controllability of the compressor inlet and the exhaust gas turbocharger as a whole.
Eine Kombination mit einem E-Booster ist alternativ oder zusätzlich möglich. A combination with an e-booster is possible alternatively or additionally.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Verdichteranordnung einen E-Booster auf oder ist mit einem E-Booster in Form eines elektrischen Zusatzverdichters kombiniert. Der E-Booster kann bereits bei niedrigen Motordrehzahlen von Beginn an Ladedruck aufbauen und für Drehmoment sorgen. Der E-Booster kann zum elektrischen Antreiben eines Verdichterlaufrads vorgesehen sein und dazu einen E-Motor aufweisen. In a particularly preferred embodiment of the invention, the compressor arrangement according to the invention has an e-booster or is combined with an e-booster in the form of an electric booster compressor. The e-booster can build up boost pressure right from the start, even at low engine speeds, and provide torque. The e-booster may be provided for electrically driving a compressor impeller and having an e-motor for this purpose.
Im Bereich niedriger Motordrehzahlen ist der durch einen Turbolader verfügbare Ladedruck begrenzt. Wesentliche Gründe dafür sind einerseits die in diesem Betriebsbereich nur begrenzt zur Verfügung stehende Abgasenthalpie und andererseits die Lage der Pumpgrenze der Verdichteranordnung. Eine maximale Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie kann bei bekannten Turboladern durch entsprechende Regelvorrichtungen der Turbine erfolgen, bspw. variable Turbinengeometrie VTG, Wastegate WG, oder VTG und WG in Kombination. Die Lage der Pumpgrenze begrenzt den möglichen Ladedruckaufbau in Richtung kleiner Luftmasseströme (kleine Motordrehzahlen) durch die dann einsetzenden Betriebsinstabilitäten der Verdichteranordnung. Durch den Einsatz des Trimstellers kann die Pumpgrenze der Verdichteranordnung in Richtung kleiner Luftmassenströme verschoben werden, wodurch höhere Ladedrücke bei niedrigen Motordrehzahlenermöglicht werden. Im Motorbetrieb bestehen zu den stationären Ladedruckanforderungen auch dynamische Ladedruckanforderungen durch Beschleunigungsvorgänge oder Lastwechsel. In solchen Fällen kann die Verdichteranordnung des Abgasturboladers, begrenzt durch dessen mechanische und thermische Trägheit sowie die nur verzögert ansteigende Abgasenthalpie, nur mit einer begrenzten systemspezifischen Dynamik Ladedruck erzeugen. Diese zeitlichen Verzögerungen im Ladedruckaufbau haben negative Auswirkungen auf die Fahrperformance des Fahrzeugs und insbesondere auf die Abgasemissionen bei dynamischen Fahrvorgängen. In diesem Zusammenhang ist der zusätzliche Einsatz des E-Boosters für die Aufladung bei einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung besonders vorteilhaft:
Der E-Booster ist durch den elektrischen Antrieb entkoppelt von der Abgasenthalpie. Der E-Booster kann in Reihe oder parallel zu der Verdichteranordnung geschalten sein, so dass er sehr dynamisch einen zusätzlichen Beitrag zum Ladedruck ermöglichen oder diesen sogar komplett autark erzeugen kann. Im Falle einer Reihenschaltung kann der durch den Abgasturbolader und den E-Booster erzeugte Ladedruck dabei den durch den Turbolader alleine möglichen stationären Ladedruckaufbau kurzfristig übersteigen. Der zur Verfügung gestellte Ladedruck entspricht in diesem Fall einem Betriebspunkt, der im Verdichterkennfeld links (in Richtung kleiner Masseströme) von der Pumpgrenze liegt. Eine solche Ladedrucküberhöhung ist insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen (Low-End-Torque) vorteilhaft, um das dynamische Anfahrverhalten des Fahrzeugs zu verbessern. Diese Ladedrucküberhöhung ist allerdings durch die verfügbare elektrische Energie aus dem Bordnetz sowie thermische Betriebsgrenzen des E-Boosters zeitlich begrenzt. Eine stationäre Ladedruck- und folglich Drehmomenterhöhung lässt sich also nur durch einen E-Booster nicht oder nur geringfügig erreichen. In the range of low engine speeds, the boost pressure available through a turbocharger is limited. The main reasons for this are, on the one hand, the limited exhaust gas enthalpy available in this operating range and, on the other hand, the position of the surge limit of the compressor arrangement. A maximum exhaustion of the available exhaust gas enthalpy can occur in known turbochargers by appropriate control devices of the turbine, for example. Variable turbine geometry VTG, Wastegate WG, or VTG and WG in combination. The position of the surge limit limits the possible charge pressure build-up in the direction of small air mass flows (small engine speeds) by the then operating instabilities of the compressor assembly. Through the use of the trim adjuster, the surge line of the compressor assembly can be translated toward small mass air flows, thereby allowing higher boost pressures at low engine speeds. In engine operation exist to the stationary boost pressure requirements also dynamic boost pressure requirements due to acceleration or load changes. In such cases, the compressor assembly of the exhaust gas turbocharger, limited by its mechanical and thermal inertia and only delayed rising exhaust enthalpy, only with a limited system-specific dynamics generate boost pressure. These delays in the boost pressure build-up have a negative impact on the driving performance of the vehicle and in particular on the exhaust emissions during dynamic driving. In this context, the additional use of the e-booster for charging in a compressor assembly according to the invention is particularly advantageous:
The e-booster is decoupled from the exhaust enthalpy by the electric drive. The e-booster can be connected in series or parallel to the compressor arrangement, so that it can very dynamically make an additional contribution to the boost pressure or even generate it completely autonomously. In the case of a series connection, the charge pressure generated by the exhaust-gas turbocharger and the e-booster can exceed the steady-state boost pressure build-up that is possible by the turbocharger alone in the short term. In this case, the boost pressure provided corresponds to an operating point which lies in the compressor map on the left (in the direction of small mass flows) from the surge line. Such a boost pressure boost is particularly advantageous at low engine speeds (low-end torque) to improve the dynamic starting behavior of the vehicle. However, this boost pressure increase is limited in time by the available electrical energy from the vehicle electrical system as well as thermal operating limits of the e-booster. A stationary boost pressure and thus torque increase can only be achieved by an e-booster or only slightly.
Im Falle einer stationären Drehmomentenüberhöhung würde sich der Betriebspunkt der Verdichteranordnung nach dem Abschalten des E-Boosters (nach max. 6–10 Sekunden) dynamisch in einen instabilen Betriebsbereich jenseits der Pumpgrenze verschieben. Der Turbolader würde im schlimmsten Falle durch das einsetzende Pumpen einen Totalschaden erleiden. In the case of a stationary torque increase, the operating point of the compressor assembly would shift dynamically into an unstable operating range beyond the surge limit after the e-booster has been switched off (after a maximum of 6-10 seconds). The turbocharger would suffer in the worst case by the onset of pumping a total loss.
Durch den Einsatz des Trimstellers lässt sich bei der erfindungsgemäßen Verdichteranordnung die gewünschte Drehmomentenerhöhung im Bereich kleiner Motordrehzahlen durch die Verschiebung der Pumpgrenze auch stationär erreichen. Der kombinierte Einsatz eines E-Boosters im Zusammenspiel mit einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung mit Trimsteller ermöglicht folglich eine dynamische (unabhängig von der Abgasenthalpie) und stationäre Drehmomentenerhöhung des Verbrennungsmotors im Bereich niedriger Drehzahlen. Dadurch kann das Anfahrverhalten des Fahrzeugs positiv beeinflusst oder die erreichbare Nennleistung mit einem mono-turboaufgeladenen Verbrennungsmotor bei gleicher Anfahrperformance gesteigert werden. Um die gewünschte Drehmomentenerhöhung durch den Einsatz des Trimstellers auch stationär zu ermöglichen, ist eine teillastoptimierte Turbine notwendig. Hier kommen bspw. teillastoptimierte aerodynamische Auslegungen der Turbine und/oder entsprechende Regelungsverfahren wie etwa die oben beschriebenen VTG, WG einzeln oder im Kombination zum Einsatz. Alternative Möglichkeiten zum Trimsteller unter diesen Randbedingungen (z.B. Scavenging) sind aufwändiger und mit höheren Kosten verbunden. Through the use of the trimmer, the desired torque increase in the region of low engine speeds can also be achieved stationarily in the compressor arrangement according to the invention by shifting the pumping limit. The combined use of an e-booster in conjunction with a compressor arrangement according to the invention with trim plate thus enables a dynamic (independent of the exhaust gas enthalpy) and stationary torque increase of the internal combustion engine in the low-speed range. As a result, the starting behavior of the vehicle can be positively influenced or the achievable nominal power can be increased with a mono-turbocharged internal combustion engine with the same starting performance. In order to enable the desired torque increase through the use of the trimmer also stationary, a part-load optimized turbine is necessary. Here, for example, partial-load-optimized aerodynamic designs of the turbine and / or corresponding control methods such as the VTG, WG described above are used individually or in combination. Alternative options for the Trimsteller under these boundary conditions (for example, Scavenging) are more complex and associated with higher costs.
Eine besonders strömungsgünstige Auslegung der Einstellvorrichtung ist dadurch möglich, dass eine trichterförmige Verjüngung des Anströmkanals stromab der Blende und stromauf des Verdichterlaufrads vorgesehen ist. Vorzugsweise entspricht dabei der kleinste Strömungsdurchmesser der Verjüngung im Wesentlichen dem Durchmesser des Rohrabschnitts oder ist etwas größer als dieser. Alternativ oder zusätzlich ist der kleinste Strömungsdurchmesser der Verjüngung unmittelbar stromab des dem Verdichterlaufrads zugewandten Endes des Rohrabschnitts angeordnet, so dass die Verjüngung das stromabseitige Ende des Zuschaltkanals bildet. Damit bilden die Blendenfenster das stromaufseitige Ende des Zuschaltkanals und die Verjüngung das stromabseitige Ende des Zuschaltkanals. Am stromabseitigen Ende des Zuschaltkanals verläuft der Strömungsweg des Zuschaltkanals – geführt durch die Verjüngung – radial nach innen, so dass das durch den Zuschaltkanal strömende Fluid mit dem durch den Rohrabsatz strömenden Fluid zusammengeführt wird. Dieser ringförmig von radial außen dem zentralen Strömungsweg zugeführte Strömungsweg des Zuschaltkanals führt zu einem besonders stabilen und wirbelfreien Strömungsverhalten in Richtung auf das Verdichterlaufrad. A particularly streamlined design of the adjustment is possible in that a funnel-shaped taper of the inflow is provided downstream of the diaphragm and upstream of the compressor impeller. Preferably, the smallest flow diameter of the taper substantially corresponds to the diameter of the pipe section or is slightly larger than this. Alternatively or additionally, the smallest flow diameter of the taper is located immediately downstream of the end of the pipe section facing the compressor wheel, so that the taper forms the downstream end of the connection channel. Thus, the aperture windows form the upstream end of the Zuschaltkanals and the taper the downstream end of the Zuschaltkanals. At the downstream end of the Zuschaltkanals the flow path of the Zuschaltkanals - guided by the taper - extends radially inward, so that the fluid flowing through the Zuschaltkanal fluid is merged with the fluid flowing through the pipe section. This annular flow path of the connection channel, which is supplied radially from the outside to the central flow path, leads to a particularly stable and eddy-free flow behavior in the direction of the compressor impeller.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Abgasstrang, einem Frischgasstrang und einem Abgasturbolader mit einer in den Abgasstrang integrierten Turbine und einer in den Frischgasstrang integrierten, erfindungsgemäßen Verdichteranordnung. According to a further aspect, the present invention relates to an internal combustion engine having an internal combustion engine, an exhaust system, a fresh gas train and an exhaust gas turbocharger with a turbine integrated into the exhaust system and a compressor assembly according to the invention integrated in the fresh gas train.
Eine (ND-)Abgasrückführung kann zwischen dem Abgasstrang und dem Frischgasstrang angeordnet sein und im Bereich der Einstellvorrichtung stromauf des Verdichterlaufrads in den Anströmkanal einmünden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet die Abgasrückführung in dem den zentralen Trimkanal ringförmig umlaufenden Zuschaltkanal, der über die Blendenfenster anströmbar ist. A (LP) exhaust gas recirculation can be arranged between the exhaust gas line and the fresh gas line and open in the region of the adjusting device upstream of the compressor impeller into the inflow channel. In a particularly preferred embodiment of the invention, the exhaust gas recirculation opens in the central trim channel annular encircling Zuschaltkanal which can be flowed over the aperture window.
Weiter bevorzugt ist die AGR-Rate mittels der Einstellvorrichtung steuerbar oder regelbar eingerichtet. Zu diesem Zweck kann die Einstellvorrichtung zum Verändern des Strömungsquerschnitts zwischen der Abgasrückführung bzw. dem Zuschaltkanal und dem zentralen Trimkanal eingerichtet sein. More preferably, the EGR rate is controllably or controllably established by means of the adjustment device. For this purpose, the adjusting device for changing the flow cross section between the exhaust gas recirculation or the Zuschaltkanal and the central trim channel can be established.
Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist nicht notwendigerweise eine Abgasklappe zum Einstellen einer AGR-Rate auf. An internal combustion engine according to the invention does not necessarily have an exhaust valve for setting an EGR rate.
Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine einen E-Booster in Form eines elektrischen Zusatzverdichters auf, der parallel oder in Reihe zu der Verdichteranordnung geschaltet sein kann. Preferably, the internal combustion engine has an e-booster in the form of an additional electric compressor, which may be connected in parallel or in series with the compressor arrangement.
Es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen, wobei die oben beschriebenen Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Einsatz kommen können, ohne hier nochmals wiederholt zu werden. Reference is made to the above statements, wherein the features described above can be used individually or in any combination in the internal combustion engine according to the invention, without being repeated here again.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, bei dem eine Abgasdurchflussmenge durch eine stromauf des Verdichterlaufrads in den Frischgasstrang einmündende Abgasrückführung mittels der Einstellvorrichtung der Verdichteranordnung eingestellt wird. Durch die Einstellvorrichtung kann ein Strömungsquerschnitt zwischen der Abgasrückführung und dem Verdichterlaufrad eingestellt werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Abgasdurchflussmenge durch Verstellen, insbesondere durch Verdrehen eines im Anströmkanal angeordneten Abdeckteils eingestellt. Das Abdeckteil kann zum Verschließen von Durchlässen zwischen einem zentralen Trimkanal und einem diesen ringförmig umlaufenden Zuschaltkanal eingerichtet sein, in den die Abgasrückführung einmündet. According to a further aspect, the present invention relates to methods for operating an internal combustion engine according to the invention, in which an exhaust gas flow rate is set by an exhaust gas recirculation flowing into the fresh gas line upstream of the compressor impeller by means of the adjustment device of the compressor arrangement. By the adjustment device, a flow cross section between the exhaust gas recirculation and the compressor impeller can be adjusted. In a particularly preferred embodiment, the exhaust gas flow rate is adjusted by adjusting, in particular by turning a arranged in the inflow passage cover. The cover part can be designed to close passages between a central trim channel and a connecting channel which circulates in an annular manner and into which the exhaust gas recirculation opens.
Bei herkömmlichen ND-Abgasrückführungen wird die AGR-Rate regelmäßig mittels einer Abgasklappe im Abgastrakt eingestellt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise die AGR-Rate zumindest in vorgegebenen Betriebs- und Drehzahlbereichen nicht mittels der Abgasklappe, sonders mittels der Einstellvorrichtung im Anströmkanal des Frischgastrakts eingestellt. Entsprechend entfällt der mit dem Einsatz einer Abgasklappe verbundene höhere Kraftstoffverbrauch aufgrund des höhen Abgasgegendrucks. In conventional LP exhaust gas recirculation, the EGR rate is adjusted regularly by means of an exhaust flap in the exhaust tract. According to the inventive method, the EGR rate is preferably set at least in predetermined operating and speed ranges not by means of the exhaust valve, but especially by means of the adjustment device in the inflow channel of the Frischgastrakts. Accordingly, eliminates the associated with the use of an exhaust flap higher fuel consumption due to the high exhaust back pressure.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung bieten insbesondere einige oder alle der folgenden Vorteile:
- • Entfall der Abgasklappe,
- • Kombination eines Trimstellers mit der AGR-Einleitung und -Vermischung,
- • Besonders strömungsoptimierte Auslegung eines Trimstellers und folglich optimierte Anströmung des Verdichterlaufrads,
- • Kombination von Trimsteller und elektrischer Zusatzaufladung mittels E-Booster.
- • removal of the exhaust flap,
- Combination of a trim valve with EGR introduction and mixing,
- • Particularly flow-optimized design of a trim adjuster and consequently optimized flow of the compressor impeller,
- • Combination of Trimsteller and additional electric charging by means of e-booster.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. This shows in
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichteranordnung
Die erfindungsgemäße Verdichteranordnung
In dem Anströmkanal
Die zentrale Blendenöffnung
Wie besonders deutlich in
Beispielhaft sind sechs Blendenfenster gezeigt, wobei zwei benachbarte Blendenfenster jeweils einen gegenseitigen Winkel von etwa 60° einschließen und sich jedes Blendenfenster um einen Winkel von etwa 30° erstreckt. Zwischen zwei Blendenfenstern weist die Blendenfläche
An der Blendenfläche
Das Verschließteil
In den
Ein besonders wichtiges Merkmal ist die Zuführungsleitung einer Abgasrückführung
Weitere erfindungsgemäße Vorteile sind die besonders strömungsgünstige Auslegung der Einstellvorrichtung
Die
Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in wesentlichen Punkten dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Die Verdichteranordnung
In dem Anströmkanal
Wie besonders deutlich in
An der Blendenfläche
In den in
Ein besonders wichtiges Merkmal ist die Zuführungsleitung einer Abgasrückführung
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel weist die Einstellvorrichtung
In
Die Durchlässe
Damit sind durch Verdrehen des Verschließteils
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Durchlässe
In
Es hat sich herausgestellt, dass ein Potential zum Entfallen der Abgasklappe besteht. Bei einer AGR-Raten-Variation bei einer Drehzahl von 2000 min–1 und einem effektiven Mitteldruck von 4 bar ergibt sich, dass durch die AGR-Betriebsstellung der trimvariablen Verdichteranordnung die Abgasklappe wesentlich länger bzw. vollständig (in Bezug zur Basis-AGR-Rate) geöffnet bleiben kann. It has been found that there is a potential for eliminating the exhaust flap. In an EGR rate variation at a speed of 2000 min -1 and a mean effective pressure of 4 bar is apparent that through the EGR operating position of the trimvariablen compressor arrangement, the exhaust flap substantially longer or completely (with respect to the basic EGR rate ) can remain open.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10, 100 10, 100
- Verdichteranordnung compressor assembly
- 20, 120 20, 120
- Anströmkanal inflow
- 25, 125 25, 125
- Zuschaltkanal Zuschaltkanal
- 30, 130 30, 130
- Einstellvorrichtung adjustment
- 31, 131 31, 131
- Eintrittsquerschnitt Inlet cross-section
- 32, 132 32, 132
- Blende cover
- 34, 134 34, 134
- zentrale Blendenöffnung central aperture
- 35, 135 35, 135
- Blendenfläche aperture area
- 36, 136 36, 136
- Blendenfenster iris window
- 38, 138 38, 138
- Verschließteil/Ringscheibe A sealing / washer
- 39, 139 39, 139
- Rohrabschnitt pipe section
- 44, 144 44, 144
- zentrale Ringöffnung central ring opening
- 46, 146 46, 146
- Ringfenster ring window
- 50, 150 50, 150
- Verdichterlaufrad compressor impeller
- 160 160
- Strömungsdurchlässe flow passages
- 162 162
- Abdeckteil cover
- 70, 170 70, 170
- Abgasrückführung Exhaust gas recirculation
- 80, 180 80, 180
- trichterförmige Verjüngung funnel-shaped rejuvenation
- 191 191
- red. Volumenstrom red. flow
- 192 192
- tot. Verdichterdruckverhältnis dead. Compressor pressure ratio
- 193 193
- Basiskennfeld Base map
- 194 194
- Volllastkennlinie 110 kW Full load characteristic 110 kW
- 195 195
- Differenzkennfeld ηgeschlossen – ηoffen Difference map η closed - η open
- 196 196
- Neutrallinie neutral line
- 197 197
- Wirkungsgradvorteile Efficiency benefits
- D D
- kleinster Strömungsdurchmesser der Verjüngung smallest flow diameter of the taper
- X X
- Trimdurchmesser Trimdurchmesser
- I I
- erste Betriebsstellung first operating position
- II II
- zweite Betriebsstellung second operating position
- III III
- dritte Betriebsstellung third operating position
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |