Verdichter mit direkt angetriebener variabler Irisblende und AufladeVorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Ver dichterrad, das drehfest auf einer Läuferwelle angeordnet ist; einem Luftzuführkanal zum Leiten eines Luftmassenstroms auf das Verdichterrad; einem stromauf vor dem Verdichterrad angeordneten Irisblen denmechanismus, der mehrere über einen drehbar gelagerten Verstellring verstellbare Lamellen zum Schließen und Öffnen einer Blendenöffnung aufweist, so dass ein Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrades variabel einstellbar ist; einem Aktuator zum Verdrehen des Verstellringes; und einem Verdichtergehäuse.

Ein derartiger Verdichter ist bekannt. Beispielsweise besitzen Abgasturbolader von Brennkraftmaschinen einen solchen Ver dichter. Dieser ist in seinem Betriebsverhalten charakterisiert durch ein sogenanntes Verdichterkennfeld, das den Druckaufbau über dem Durchsatz für verschiedene Verdichterdrehzahlen oder Umfangsgeschwindigkeiten beschreibt. Das stabile und nutzbare Kennfeld des Verdichters wird begrenzt durch die Pumpgrenze zu niedrigen Durchsätzen, durch die Stopfgrenze hin zu höheren Durchsätzen und strukturmechanisch durch die maximale Dreh zahlgrenze. Bei der Anpassung des Abgasturboladers an die Brennkraftmaschine wird ein Verdichter mit für die Brenn- kraftmaschine möglichst günstigem Verdichterkennfeld ausge wählt. Hierbei müssten folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Die Motorvolllastlinie muss komplett innerhalb des nutzbaren Kennfeldes liegen.

Zusätzlich müssen die vom Fahrzeughersteller geforderten Mindestabstände zu den Kennfeldgrenzen eingehalten werden.

Es müssen maximale Verdichterwirkungsgrade bei Nennlast und im Bereich des unteren Eckdrehmomentes des Motors erreicht werden. Es ist ein minimales Trägheitsmoment des Verdichters einzu halten .

Die Erfüllung aller Voraussetzungen gleichzeitig ist mit einem herkömmlichen Verdichter ohne Zusatzmaßnahme nur eingeschränkt möglich. Folgende Trends sind beispielsweise gegenläufig:

Reduktion des Trägheitsmomentes des Verdichters und Maximierung der Kennfeldbreite und des Spitzenwirkungsgrades,

Reduktion des Spülens im Bereich des unteren Eckdrehmomentes und Maximierung der spezifischen Nennleistung und Maximierung des maximalen Mitteldrucks des Verbrennungsmotors,

Verbesserung des Ansprechverhaltens und Erhöhung der spezi fischen Nennleistung des Verbrennungsmotors.

Die genannten Zielkonflikte können durch ein Verdichterdesign gelöst werden, das ein breites Kennfeld bei minimalem Träg heitsmoment sowie maximale Wirkungsgrade auf der Volllastlinie des Motors aufweist. Neben den genannten stationären Anfor derungen muss auch bei transienten Betriebszuständen, z. B. bei einem schnellen Lastabwurf des Verbrennungsmotors, ein stabiles Betriebsverhalten des Verdichters gewährleistet sein, d. h. für eine plötzliche Abnahme des geförderten Verdichtermassenstroms darf der Verdichter nicht ins sogenannte Pumpen laufen.

Die vorstehend aufgeführten Lösungen könnten durch Zusatz maßnahmen, wie einen verstellbaren Schaufel-Vorleitapparat , Maßnahmen zur Reduktion des Einlassquerschnittes des Verdichters oder einen festen Rezirkulationskanal , realisiert werden. Bei den variablen Lösungen wird die Verbreiterung des nutzbaren Arbeitsbereichs des Verdichters durch aktives Verschieben des Kennfeldes erreicht. So wird bei Motorbetrieb mit niedrigen Drehzahlen und Durchsätzen das Verdichterkennfeld nach links hin zu niedrigen Massenströmen verschoben, während im Motorbetrieb bei hohen Durchsätzen und Drehzahlen das Verdichterkennfeld nicht bzw. nach rechts verschoben wird. Der Vorleitapparat verschiebt durch Einstellung der Schaufelwinkel und Induktion eines Vordralls bzw. gegen die Verdichterdrehrichtung das gesamte Verdichterkennfeld hin zu kleineren bzw. größeren Durchsätzen. Der Verstellmechanismus des Vorleitapparates stellt dabei eine filigrane komplizierte und teure Lösung dar.

Die Maßnahmen mit Verengung des Verdichtereinlasses durch Querschnittreduktion verschieben das Verdichterkennfeld hin zu kleineren Durchsätzen, indem der Einlassquerschnitt durch Schließen der Konstruktion unmittelbar vor dem Verdichter verkleinert wird. Im geöffneten Zustand geben die Maßnahmen möglichst den gesamten Einlassquerschnitt wieder frei und beeinflussen/verschieben so das Kennfeld nicht oder nur mar ginal .

Die Verstellmechanismen der variablen Vorleitapparatur bzw. der querschnittsverengenden Maßnahmen werden üblicherweise über einen Kulissenmechanismus synchronisiert, der wiederum über einen rotatorischen Aktuator mit Verstellhebel und einer Art von Koppelgestänge oder Koppelelement angetrieben bzw. gedreht wird. Ein solcher Verdichter weist die eingangs beschriebenen Merkmale auf. Hierbei werden die Lamellen des Irisblendenmechanismus über den gemeinsamen Verstellring bewegt. Der Verstellring besitzt beispielsweise fingerartige Elemente an seinem Verstellhebel , in die ein Hebel der Aktuatorwelle des Aktuators eingreift. Dabei sind die Lamellen drehbar und/oder verschiebbar, etwa mittels eines Betätigungselementes, am Verstellring geführt, bei spielsweise hat der Verstellring Nuten zur Lagerung/Führung der Lamellen .

Der variable Irisblendenmechanismus hat daher die Aufgabe, den Einlassmassenstrom des Verdichters einzustellen. Der Mecha nismus wirkt dabei wie eine Art Maskierung des äußeren Bereiches des Verdichtereinlasses. Bei zunehmender Androsselung, d. h. Querschnittseinengung, übernimmt die Irisblende gleichzeitig die Aufgabe eines Schubumluftventils, da sie das Pumpen des Verdichters unterbinden kann. Dadurch ist es möglich, den Betriebsbereich des Verdichters aktiv zu beeinflussen und zusätzlich den Verdichter bei einem plötzlichen Lastabwurf des Motors in einem stabilen Betriebspunkt zu halten.

Bei Drehung der Lamellen des Irisblendenmechanismus parallel zur Drehachse des Verdichters schwenken die Lamellen radial nach innen und führen so zu einer gewünschten Verengung des Ein- trittsquerschnittes direkt vor dem Verdichterrad. Die Lamellen werden über den Verstellring synchronisiert und bewegt. Durch Drehung des Verstellringes wird die Drehung der Lamellen ausgelöst. Das Funktionsprinzip ist einer Irisblende in einem Fotoapparat sehr ähnlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdichter der eingangs beschriebenen Art vorzusehen, der sich durch einen besonders einfachen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verdichter der angegebenen Art dadurch gelöst, dass der Verstellring einen integralen Bestandteil des Aktuators bildet und als den

Luftzuführkanal umgebender Rotor eines Elektromotors ausge bildet ist. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verstellring nicht mehr über einen separaten Aktuator ange steuert und bewegt wird, sondern einen integralen Bestandteil des Aktuators bildet. Der Verstellring bildet vielmehr gleichzeitig den Rotor eines Elektromotors, so dass bei einer entsprechenden Bestromung des Elektromotors der Verstellring in der einen oder der anderen Richtung bewegt wird, wodurch die Lamellen zum Öffnen oder Schließen des Irisblendenmechanismus bewegt, d. h. nach außen oder innen verschwenkt, werden und so zu der gewünschten Erweiterung bzw. Verengung des Eintrittsquerschnittes des Luftzuführkanales führen. Die entsprechende Drehmomentüber tragung vom Verstellring auf die Lamellen kann dabei mit Hilfe von Betätigungsabschnitten bzw. Betätigungselementen realisiert sein, welche beispielsweise in Nuten des Verstellringes gelagert bzw. geführt sind.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Direktantrieb hat eine Reihe von Vorteilen. Es werden hiermit vormals getrennte Funktionen auf ein Bauteil vereinigt. Hieraus resultiert ein hoher Integra tionsgrad mit weniger Bauteilen und geringerem Bauraumbedarf. Dies hat einen geringeren Verschleiß und eine verbesserte Haltbarkeit des gesamten Mechanismus zur Folge.

Durch den Wegfall der Koppelelemente beim Stand der Technik wird die Reibung reduziert. Infolge des Elektromotors ergeben sich ein vorteilhaftes Ansprechverhalten und eine vorteilhafte Ver stellgeschwindigkeit mit verbesserter Positionierbarkeit und geringerer Hysterese. Insgesamt resultieren niedrige Kosten und es lassen sich Klappergeräusche im Falle von Vibrationen bei Anbringen an einem Turboladerverdichter am Motor vermeiden.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist der Verstellring vor zugsweise als Rotor eines Torquemotors ausgebildet. Derartige Torquemotoren sind bekannt. Es handelt sich hierbei um einen hochpoligen elektrischen Direktantrieb, mit dem sich sehr hohe Drehmomente bei relativ kleinen Drehzahlen übertragen lassen. Beispielsweise kommt hierbei ein permanenterregter bürstenloser Gleichstrommotor zum Einsatz, der vorzugsweise als Innenläufer ausgebildet ist (Stator außen, Rotor innen) . Der Verstellring bildet dabei den Rotor des Innenläufers.

Ein derartiger Torquemotor eignet sich besonders gut, um die entsprechenden Drehbewegungen des Verstellringes zum Ver- schwenken der Lamellen zu realisieren. Durch unterschiedliches Bestromen des Torquemotors wird der Verstellring im Uhrzei gersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht.

Bei einer speziellen Ausführungsform weist der Verstellring eine Vielzahl von um seinen Umfang herum angeordneten Permanent magneten auf. Vorzugsweise ist auf der Innenseite des Ver dichtergehäuses um dessen Umfang herum eine Vielzahl von Spulen des Elektromotors positioniert. Diese Spulen können auch auf der Innenseite eines speziellen Gehäuses des Blendenmechanismus oder auf der Innenseite irgendeines anderen festen Bauteils ange ordnet sein.

Speziell sind daher auf dem Verstellring bzw. Rotor Magnete angeordnet, die mit Abstand um den Umfang des Rotors montiert sind. Diese Magnete wirken mit den auf der Innenseite des Verdichtergehäuses bzw. Blendengehäuses mit Abstand angeord neten Spulen zusammen. Durch unterschiedliches Bestromen der Spulen wird eine bestimmte Verstellringposition erreicht, die ein Gleichgewicht zwischen den magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräften darstellt. Über den gesamten Umfang des Rotors können Magnete und über den gesamten Umfang des Gehäuses Spulen verteilt sein oder nur über einen Teil des Umfangs.

Eine bevorzugte Form der Erfindung sieht daher so aus, dass in Strömungsrichtung des Luftzuführkanales nacheinander der Verstellring, der Irisblendenmechanismus und das Verdichterrad angeordnet sind. Der Zuströmkanal mündet daher direkt am Verstellring. Im Betrieb wird somit die Strömung durch den Verstellring hindurch über den Blendenmechanismus zum Ver dichterrad geleitet. Der Luftstrom dient also zugleich zur Kühlung des als Verstellring wirkenden Rotors des Elektromotors.

Der als Verstellring ausgebildete Rotor des Elektromotors kann so ausgebildet sein, dass er synchron jede Lamelle des Iris blendenmechanismus antreibt. Dies kann beispielsweise so re alisiert sein, dass jede Lamelle ein Betätigungselement auf weist, das in eine Nut des Verstellringes zur Führung der jeweiligen Lamelle eingreift. Es kann aber auch eine Ausfüh rungsform so gestaltet sein, dass der Verstellring nur eine Hauptlamelle des Irisblendenmechanismus direkt antreibt, während die anderen Lamellen über die jeweils benachbarte Lamelle angetrieben werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Aufladevor richtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Verdichter der vorstehend beschriebenen Art.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es ze gen : Figur 1 eine Prinzipdarstellung von vorne der Haupt komponenten eines Direktantriebes für einen Irisblendenmechanismus eines Verdichters; und

Figur 2 eine Prinzipdarstellung von der Seite des Di rektantriebes der Figur 1; und

Figur 3 eine Teilschnittdarstellung eines Verdichters.

Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft einen Verdichter für eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine, der mit einem Verdichterrad 7 versehen ist, das drehfest auf einer Läuferwelle (nicht gezeigt) angeordnet ist. Das Verdichterrad 7 wird über einen Luftzuführkanal 6 angeströmt. Stromauf vor dem Verdichterrad 7 befindet sich ein Irisblendenmechanismus 3 (nur schematisch gezeigt), der mehrere verstellbare bzw. ver- schwenkbare Lamellen 8 zum Schließen und Öffnen der Blenden öffnung im Irisblendenmechanismus aufweist, so dass ein

Strömungsquerschnitt für den Luftmassenstrom zum Anströmen des Verdichterrades 7 einstellbar ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Irisblendenmechanismus 3 drei Lamellen 8, die eine entsprechende Blendenöffnung 9 einstellen.

Zum Verstellen der einzelnen Lamellen 8 dient ein Verstellring 2. Der Verstellring 2 wird gedreht, wodurch die Lamellen 8 zum Einstellen der Blendenöffnung einwärts oder auswärts verschwenkt werden. Hierzu ist jede Lamelle mit einem Betätigungselement versehen, das in einer entsprechenden Nut (nicht gezeigt) des Verstellrings geführt ist.

Auf dem Umfang des Verstellrings 2 sind Permanentmagnete 5 im Abstand voneinander angeordnet. Auf der Innenseite des Umfangs des Verdichtergehäuses 1 des Verdichters befinden sich in Abständen Spulen 4. Das Verdichtergehäuse 1 mit den Spulen 4 bildet den Stator und der Verstellring 2 mit den Magneten 5, den Rotor eines Torquemotors . Durch unterschiedliches Bestromen der Spulen 4 wird der Verstellring 8 gedreht und bewirkt dadurch ein Einwärtsschwenken oder Auswärtsschwenken der Lamellen zum Einstellen der Blendenöffnung 9.

Wie man Figur 2 entnehmen kann, sitzt der Blendenmechanismus 3 direkt stromauf des Verdichterrades 7 und befindet sich der Verstellring 2 direkt stromauf des Blendenmechanismus 3. Der Verstellring 2 umgibt den Zuströmkanal 6, so dass im Betrieb der Luftstrom durch den Verstellring 2 hindurch über den Blen denmechanismus 3 auf das Verdichterrad 7 geleitet wird. Der Luftstrom dient somit zugleich zur Kühlung des als Verstellring 2 wirkenden Rotors.

Der Verstellring 2 ist daher in den Aktuator für den Iris blendenmechanismus integriert und stellt den Rotor eines Torquemotors dar. Die Anzahl der in den Figuren dargestellten Magnete 5 und Spulen 4 ist lediglich beispielhaft. Je nach Bestromung der Spulen 4 wird der Verstellring 2 in Figur 1 nach links oder rechts gedreht, um den Blendenmechanismus zu öffnen oder zu schließen.

Figur 3 zeigt eine Teilschnittdarstellung eines mit einem Irisblendenmechanismus 3 versehenen Verdichters. Ein Ver dichterrad 7 wird über einen Luftzuführkanal 6 angeströmt. Ein Irisblendenmechanismus 3 dient zur Einstellung des Strö mungsquerschnitts .

Der Irisblendenmechanismus 3 besitzt einen Verstellring 2, über dessen Umfang Permanentmagnete 5 angeordnet sind. Benachbart hierzu sind im Verdichtergehäuse 1 Spulen 4 vorgesehen. Durch Bestromung der Spulen 4 wird der Verstellring 2 gedreht, wodurch der Irisblendenmechanismus 3 geöffnet oder geschlossen wird.