Positionsregelung für Vordral l-Leitvorrichtung

B E S C H R E I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der mit Abgasen von Brennkraftmaschinen beaufschlagten Strömungsmaschinen.

Sie betrifft eine Positionsregelung einer Vordrall-Leitvorrichtung zum Erzeugen eines Vordralls im Ansaugbereich eines Verdichters sowie einen Abgasturbolader mit einer solchen Vordrall-Leitvorrichtung.

Stand der Technik Abgasturbolader werden zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen (Hubkolbenmotoren) eingesetzt. Bei modernen Brennkraftmaschinen wird die Anpassung der Abgasturbolader an variable Betriebsbedingungen zunehmen schwieriger. Eine weit verbreitete Möglichkeit dazu bietet die so genannte variable Turbinen- und/oder Verdichtergeometrie. Bei der variablen Turbinengeometrie werden die Leitschaufeln des Leitapparates stromauf des Turbinenrades entsprechend dem Leistungsbedarf der Turbine mehr oder weniger steil zur Strömung ausgerichtet. Bei der variablen Verdichtergeometrie werden die Leitschaufeln im Diffusor stromab des Verdichterrades mehr oder weniger steil zur Strömung ausgerichtet.

Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung des Abgasturboladers an die variablen Betriebsbedingungen bieten Vordrall-Leitvorrichtungen, welche im Luftansaugebereich des Verdichters in der angesaugten Luft einen bestimmten Vordrall erzeugen, je nach Betriebspunkt mehr oder weniger ausgeprägt mit- oder gegenläufig zur Drehrichtung des Verdichterrades.

Solche Vordrall-Leitvorrichtungen, sind etwa aus der DE 36 13 857 A1 , oder der europäische Patentanmeldung vom 31. März 2006 mit der Anmeldenummer

06405137.8, deren Inhalt in diese Anmeldung durch Verweis einbezogen wird, bekannt.

Diese Vordrall-Leitvorrichtungen umfassen mehrere, bezüglich der Verdichterachse in radialer Richtung ausgerichtet angeordnete Leitschaufeln. Jede der Leitschaufeln umfasst neben dem in den Strömungskanal hineinragenden Schaufelprofil einen Schaufelschaft, mit welchem das Schaufelprofil drehbar in einem Gehäuse gelagert ist. über einen Verstellhebel lässt sich das Schaufelprofil um die Achse des Schaufelschaftes drehen. Zum Antrieb des Verstellhebels, und somit zum Verstellen des Schaufelprofils, ist ein Verstellring vorgesehen, welcher konzentrisch zur Achse des Verdichters angeordnet ist. Durch Drehen des Verstellrings, werden alle Schaufeln gleichzeitig um die jeweiligen Achsen ihrer Schaufelschäfte verstellt, wodurch die zum Verdichterrad geführte Strömung mit einem Mit- oder Gegendrall (bezüglich der Drehrichtung des Verdichterrades) beaufschlagt wird. Der Antrieb des Verstellrings erfolgt bei herkömmlichen Vordrall-Leitvorrichtungen durch einen Aktuator ausserhalb des Gehäuses.

Idealerweise erfolgt die Positionserkennung der Leitschaufeln der Vordrall- Leitvorrichtung als Absolutwert und dient direkt als Stellgrösse für den Antrieb. Im Handel erhältliche Aktuatoren mit so genannten Absolut-Encodern sind sehr teuer und brauchen immer auch eine Referenzfahrt auf einen Endschalter. Zudem kann mit einem solchen System die Stellung der Leitschaufel nur indirekt über die Ankerumdrehung ermittelt werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine exakte, robuste sowie kostengünstige Erkennung der Winkelstellung der Leitschaufeln der Vordrall-Leitvorrichtung und die Rückführung in einem geschlossenen Regelkreis (closed loop).

Mit einem einfachen und sehr robusten Dreh-Potentiometer (optional in Hohlschaft- Ausführung) als Sensor wird direkt die Winkelstellung der Leitschaufeln gemessen. Alternativ können als Sensoren zur Erkennung der Winkelstellung der Leitschaufeln der Vordrall-Leitvorrichtung kontaktlose, magnetische oder optische Winkelmesssysteme verwendet werden.

Diese Potentiometerlösung ist sehr kostengünstig und zudem sehr genau. Durch die optional direkte Anordnung des Winkelgebers auf dem Schaft der Leitschaufel brauchen für die Regelung keine Spiel- und Temperatureinflüsse berücksichtig zu werden.

Die Messung erfolgt potentiometrisch, sodass aufgrunα eines gemessenen Strom- oder Spannungswertes direkt eine bestimmte Winkelstellung festgestellt werden kann.

Hierfür braucht es keine Referenzierung nach dem Einschalten bzw. nach einer Störung, d.h. ein Anfahren einer bestimmten Ausgangsposition ist nicht notwendig. Der Aktuator wird solange betätigt und damit der Verstellring bzw. die Leitschaufeln bewegt, bis die Ist-Position der Leitschaufel mit dem Sollwert übereinstimmt.

Als Aktuator kann optional ein Linearaktuator (Schrittmotor mit Gewindespindel) verwendet werden. Diese Aktuatoren sind relativ kostengünstig und bauen sehr kompakt. Zudem ist er recht robust in Bezug auf Vibrationen und Temperaturbelastungen.

Um eine einwandfreie Abdichtung zu ermöglichen ist das Drehpotentiometer optional auf der Gehäuseaussenseite angeordnet. Die Verbindung zwischen der Leitschaufel und dem Drehpotentiometer erfolgt über einen Verbindungsstift welcher mit einem Kolbendichtring abgedichtet wird. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die einfache Verkabelung des Elektromotors und des Winkelgebers. Zudem lässt sich so alles unter einer gemeinsamen Abdeckung unterbringen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen detailliert erläutert. Hierbei zeigt Fig. 1 einen isometrische Ansicht auf eine im Verdichtergehäuse angeordnete Vordrall-Leitvorrichtung mit einem zugedeckten Gehäusefortsatz,

Fig. 2 eine Detailansicht des abgedeckten Gehäusefortsatzes nach Fig. 1 mit einem Aktuator und einem Positionssensor,

Fig. 3 eine isometrische Detailansicht des Antriebs und des Positionssensors der Vordrall-Leitvorrichtung nach Fig. 2, und

Fig. 4 die einzelnen Komponenten des Positionssensors der Vordrall- Leitvorrichtung nach Fig. 2.

BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP

Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Vordrall-Leitvorrichtung im Ansaugbereich eines Verdichters. Solche Verdichter werden, wie eingangs beschrieben, in Abgasturboladern zum Steigern der Leistung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Der Verdichter umfasst ein Verdichtergehäuse, welches das Verdichterrad umfasst und den Strömungskanal des zu verdichtenden Mediums bildet. Das radial äussere Gehäuse 13 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen Gehäusefortsatz 14 sowie eine Deckel 15 zum Abdecken des im Gehäusefortsatz angeordneten Antriebs für die Vordrall- Leitvorrichtung. Die Leitvorrichtung umfasst mehrere, bezüglich der Verdichterachse in radialer Richtung ausgerichtet angeordnete Leitschaufeln 20. Die Leitschaufeln sind in einem inneren Gehäuse 10 drehbar gelagert. Im zentralen Bereich der Leitvorrichtung, in welchem die Spitzen der mehreren Leitschaufeln zusammen kommen, ist ein zentraler Gehäusekörper 12 angeordnet. Dieser Zentralkörper liegt konzentrisch auf der Achse des Verdichters. Der Zentralkörper ist Teil des inneren Gehäuses, welches im Bereich der Leitvorrichtung den Strömungskanal des zu verdichtenden Mediums bildet. Wie dargestellt, kann der Zentralkörper 12 über eine oder mehrere radial verlaufende Halterippen 11 positioniert und festgehalten sein. Um die Strömung im Strömungskanal nicht mit solchen Rippen beeinträchtigen zu müssen, kann der Zentralkörper auch über die Leitschaufelspitzen positioniert und festgehalten werden.

Die Ansicht nach Fig. 2 auf das äussere Gehäuse 13 mit dem Gehäusefortsatz 14 zeigt neben dem Aktuator 51 für den Antrieb der Vordrall-Leitvorrichtung auch ein Sensor 60 zur Erfassung der aktuellen Winkelstellung der Leitschaufeln. Dieser Sensor, in der dargestellten Ausführungsform als Drehpotentiometer ausgebildet, ist ebenso wie der Aktuator mittels der Befestigungsmittel 58 bzw. 65 fest mit dem Gehäuse verschraubt. Die Zuleitungen für die Versorgung mit elektrischer Energie, bzw. die Steuerkabel sind mit den Anschlusskabeln 57 für den Aktuator, bzw. 64 für den Sensor angedeutet. Nicht dargestellt ist eine Steuereinheit zum Ansteuern des Aktuators, welche aufgrund der gemessenen Winkelstellungen der Leitschaufeln die Steuerung bzw. die Regelung mit Positionsrückmeldung ermöglicht. Diese Steuereinheit kann optional Teil der Motorsteuerung der mit dem Abgasturbolader verbundenen Brennkraftmaschine sein. Die Steuerleitungen von und zu dem Aktuator bzw. Sensor können kabelgebunden oder kabellos ausgebildet sein.

Fig. 3 erlaubt einen Blick ins Innere des äusseren Gehäuses, insbesondere auf den Antrieb sowie die Bestandteile der erfindungsgemässen Positionsregelung für die Vordrall-Leitvorrichtung und Fig. 4 zeigt im Detail die einzelnen Bestandteile der Positionsregelung in demontiertem Zustand. Jede der Leitschaufeln der Leitvorrichtung umfasst neben dem in den Strömungskanal hineinragenden Schaufelprofil 21 einen Schaufelschaft 22, mit welchem das Schaufelprofil drehbar in dem nicht dargestellten Gehäuse gelagert ist. über einen Verstellhebel 23 lässt sich das Schaufelprofil um die Achse des Schaufelschaftes drehen. Zum Antrieb des Verstellhebels, und somit zum Verstellen des Schaufelprofils, ist ein Verstellring 30 vorgesehen, welcher konzentrisch zur Achse des Verdichters angeordnet ist.

In der dargestellten Ausführungsform erfolgt die Drehmomentübertragung vom Verstellring 30 auf den Schaufelschaft 22 über einen am freien Ende des Verstellhebels 23 angeordneten Kugelkopf 24. Der Kugelkopf 24 wird in einer Nut 31 des Verstellrings mit zwei parallel zueinander verlaufenden Wänden geführt. In der Nut hat der Kugelkopf die translatorischen und rotatorischen Bewegungsfreiheiten, welche zur Umsetzung der Momentübertragung notwendig sind. Der Kugelkopf ist in einem translatorisch verschiebbar angeordneten Gleitschuh 25 angeordnet. Wird der Verstellring 30 zum Verstellen der Leitschaufeln gedreht, so wird der Gleitschuh 25 von dem Kugelkopf 24 in der Nut 31 in der Ebene der Nutwände verschoben. Wird der Stellring weggedreht, so verändert sich die Lage des Verstellhebels relativ zum Verstellring. Neben der translatorischen Verschiebung des Rotationszentrums des Kugelkopfes innerhalb der Nut, kommt es zu einer Verdrehung des Verstellhebels bezüglich des Verstellrings. Die translatorische Verschiebung des Rotationszentrums des Kugelkopfes wird durch den, den Nutwänden entlang gleitenden Gleitschuh ermöglicht, während sich für die

Verdrehung der Kugelkopf in der durch den Gleitschuh geformten Kugelpfanne beliebig in jede Richtung verdrehen kann. Der Gleitschuh kann auch zweiteilig ausgebildet sein, indem auf jeder Seite der Nut im Verstellring eine Kugelpfannenhälfte mit einer flachen, gleitfähigen Rückseite angeordnet ist. Alternativ kann die Drehmomentübertragung vom Verstellring auf den Schaufelschaft auch über einen am freien Ende des Verstellhebels angeordneten, zylinderförmigen Stift erfolgen. Der Stift greift in eine Bohrung eines im Verstellring ebenfalls in einer Bohrung gelagerten, zylinderförmigen Gleitelements ein. Der Gleitzylinder lässt sich in

der Bohrung um die eigene Achse drehen und entlang der eigenen Achse verschieben. Die Bohrung im Gleitzylinder, welche zur Aufnahme des Stifts vorgesehen ist, steht senkrecht zur Achse des Gleitzylinders. Der Stift lässt sich in dieser Bohrung um seine eigene Achse drehen und entlang seiner eigenen Achse verschieben. Somit sind wiederum die für die Umsetzung der Momentübertragung notwendigen Bewegungsfreiheiten, je zwei translatorische und rotatorische, gegeben. Optional kann der Stift, im Gleitzylinder fixiert und dafür in einer entsprechenden Bohrung im freien Ende des Verstellhebels der Leitschaufel gleitend gelagert sein.

Anstelle der dargestellten und detailliert beschriebenen sind weitere Ausführungsformen zur Momentübertragung denkbar, etwa mit einem als Zahnradsegment ausgebildeten Verstellhebel, welcher in dem mit einem Zahnkranz versehenen Verstellring eingreift. Schaufelprofil 21 , Schaufelschaft 22 und der Verstellhebel 23 mitsamt dem für die Momentübertragung notwendigen Aufsatz können ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Zum Verdrehen des Verstellringes 30 braucht es eine Aktuator-Vorrichtung 50. Diese umfasst einen Aktuator 51 , also den eigentlichen Antrieb, und eine Kupplung zum Verstellring 30 gekuppelt ist. Diese Kupplung umfasst beispielsweise ein Tauchrohr 54, welches mittels einer drehbaren Gewindespindeln 52 translatorisch verschoben werden kann. Je nach Drehsinn der Spindel bewegt sich das Tauchrohr von der Spindel angetrieben und geführt, in tangentialer Richtung entlang dem Verstellring hin und zurück. Am freien Ende weist das Tauchrohr eine parallelwandige Nut auf, welche zur Aufnahme eines Gleitstifts 41 vorgesehen ist. Der Gleitstift ist zusätzlich mit dem Verstellring 30 verbunden, indem er drehbar in einer Bohrung in radial nach aussen abstehenden Laschen 33 des Verstellrings 30 angeordnet ist. Der Aktuator ist optional als elektrischer Schrittmotor ausgebildet, bei welchem über den Steueranschluss 57 die gewünschte Rotationsrichtung eingestellt werden kann. Im Bereich der Laschen ist das Tauchrohr seitlich verjüngt.

Alternativ kann die Gewindespindel direkt mit auf dem Verstellring angeordneten Zähnen zusammenwirken. In diesem Fall wird die Rotationsbewegung der Spindel direkt in eine Rotationsbewegung des Verstellrings gewandelt. Die erfindungsgemässe Positionsregelung beruht auf der genauen Erfassung der Winkelstellung der Leitschaufeln 20 der Vordrall-Leitvorrichtung. Dabei wird ein Drehpotentiometer 61 , welches einen drehbaren Teil umfasst, direkt oder - wie in der

dargestellten Ausführungsform - über ein Verbindungsstift 70 mit dem Schaft einer Leitschaufel verbunden. Ein feststehender Teil des Dreh-Potentiometers wird mit Befestigungsmitteln 65, welche in Bohrungen 63 in den Befestigungslaschen 62 angeordnet sind, am Gehäuse befestigt. ändert sich die Winkellage der Leitschaufel, führt dies dazu, dass der drehbare Teil des Potentiometers relativ zum feststehenden Teil des Potentiometers verdreht wird, so dass sich der über den Anschlusskabeln anliegende elektrische Widerstand ändert. Aufgrund der messbaren elektrischen Kenngrösse kann auf diese Weise präzis die genaue Winkellage der Leitschaufel bestimmt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, oder um den Ausfall eines Sensors kompensieren zu können, kann optional ein zweiter Sensor auf der gleichen oder einer anderen Leitschaufel angeordnet sein. Anstelle eines Dreh-Potentiometers können auch kontaktlose magnetische Sensoren oder optische Absolutwinkelmesssysteme eingesetzt werden.

Die Verbindung zur Leitschaufel 20 erfolgt in der dargestellten Ausführungsform über den Verbindungsstift 70. Dieser ist in einer Bohrung durch die Gehäusewand angeordnet, wobei die Bohröffnung optional mittels Dichtring 74 abgedichtet ist, so dass keinerlei Gasaustausch zwischen dem Strömungskanal und der Aussenwelt erfolgt.

Der Verbindungsstift 70 wird mit einem definiert geformten Steckbereich 73 in eine entsprechend geformte Stecköffnung 26 in der Schaufelwelle 22 gesteckt, und zwar koaxial zur Drehachse der Leitschaufelwelle. Das Dreh-Potentiometer wird mit einem ebenfalls definiert geformten Stecköffnung 61 auf den entsprechend geformten Steckbereich 71 des Verbindungsstiftes bis zum Anschlag 72 aufgesteckt.

Der Verbindungsstift kann optional Teil des Schaufelschafts sein, so dass das Potentiometer direkt auf den Schaft aufgesteckt werden kann. Nach dem Einschalten bzw. nach einer Störung braucht die Vordrall-Leitvorrichtung nicht in eine bestimmte Ausgangsposition gefahren werden. Der Aktuator wird solange betätigt (in die eine oder andere Richtung) und damit der Verstellring bzw. die Leitschaufeln entsprechend bewegt, bis die Ist-Position der Leitschaufeln mit dem Sollwert übereinstimmen.

Bezugszeichenliste Inneres Gehäuseteil Halterippe Zentral körper äusseres Gehäuseteil Gehäusefortsatz Gehäusedeckel Leitschaufel Schaufelprofil Schaufelschaft Verstellhebel zum Bewegen der Leitschaufeln Kugel köpf Gleitschuh Stecköffnung Verstellring zum Bewegen der Leitschaufeln über die Verstellhebel Nut zur Aufnahme von Gleitschuh Ringbohrung zur Aufnahme von Gleitstift Laschen Gleitstift Aktuator-Vorrichtung Aktuator, Linearmotor Spindel Tauchrohr Anschlusskabel Befestigungsmittel

Winkelgeber, Potentiometer

Stecköffnung

Befestigungslaschen

Befestigungsbohrungen

Anschlusskabel

Befestigungsmittel

Verbindungsstift

Steckbereich

Anschlag

Dichtring