Es ist bereits ein variabler Abgasturbolader aus der DE 199 55 508 Cl bekannt. Es wird eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader beschrieben, der eine Abgasturbine und einen Verdichter zur Erzeugung komprimierter Ladeluft umfasst.

Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine eine luftgetriebene Turbine auf, die mit dem Verdichter drehverbunden ist und der über ein stellbares Sperrorgan Verbrennungsluft zuführbar ist.

Der Turbinenauslaß ist über einen Verbindungskanal mit dem Ansaugtrakt stromab des Verdichters verbunden. Die Brennkraftmaschine weist eine Regel-und Steuereinheit zur Erzeugung von das Sperrorgan einstellenden Steuersignalen auf.

Es ist ein stromauf des Verdichters vom Ansaugtrakt abzweigender Zusatzkanal zum Lufteinlaß der luftgetriebenen Turbine vorgesehen. Über das Sperrorgan ist die Luftzufuhr in den Zusatzkanal und in den Verdichtereinlaß einstellbar. Im niederen Lastbereich ist für den Fall, daß der Soll-Ladedruck einen Schwellenwert unterschreitet, in der Regel-und Steuereinheit ein Stellsignal erzeugbar, über welches das Sperrorgan in eine den Zusatzkanal öffnende und die Luftzufuhr zum Verdichtereinlaß reduzierende Position verstellbar ist.

Variable Abgasturbolader-Turbinen finden derzeit in Größen von Dieselmotoren mit kleinen Hubvoluminas bis zu größeren, mittelschnell laufenden Nutzfahrzeug-Dieselmotoren ihren Einsatz.

Seit langem sind die Möglichkeiten des Einsatzes variabler Vorleitgitter als Dralleinrichtung vor dem Verdichterrad wie auch variabel beschaufelter Diffusoren hinter dem Verdichterrad an den weit verbreiteten Mixflow-Verdichtern bekannt. Die Mixflow-Verdichter weisen im Eintritt eine axiale Strömung und im Austritt eine radiale Strömung auf. Eine Anwendung erfolgte für das variable Vorleitgitter bisher in kleineren Stückzahlen, was im Besonderen an der komplizierten und kostenungünstigen Bauweise der axialen Vorleitgitter liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasturbolader derart auszubilden und anzuordnen, daß durch in die Strömung eingebrachte Leitvorrichtungen die Führung der Strömung verbessert und der Wirkungsgrad des Abgasturboladers erhöht wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß der Einströmkanal des Verdichters in Strömungsrichtung vor den Verdichterradschaufeln von einem axialen Bereich in einen als radialer Ringkanal ausgebildeten radialen Bereich mündet.

Der Verdichter ist eingangs-und ausgangsseitig als reiner Radialverdichter ausgebildet, bei dem die Verdichterradschaufeln im Bereich des radialen Ringkanals angeordnet sind.

Hierzu ist es vorteilhaft, daß innerhalb des radialen Ringkanals sowohl eine Drall-und/oder Drosseleinrichtung in Strömungsrichtung vor als auch eine Drall-und/oder Drosseleinrichtung nach den Verdichterradschaufeln vorgesehen ist. Die verstellbare Drall-und/oder Drosseleinrichtung vor den Verdichterradschaufeln ist als radiales Vorleitgitter und die verstellbare Drall-und/oder Drosseleinrichtung nach den Verdichterradschaufeln ist als radiales Diffusorgitter ausgebildet.

Hierdurch wird erreicht, daß der Verdichterkennfeldbereich Richtung Pumpgrenze und Stopfgrenze ausgeweitet werden kann, wie das insbesondere für die aufgeladenen Ottomotoren relevant ist.

Als weitere vorteilhafte Eigenschaft bringt die erfindungsgemäße variable Verdichtergeometrie mit sich, daß der gleiche Druckaufbau bei unterschiedlichen Drehzahlen des Abgasturboladers erfolgen kann, wenn durch ein radiales Vorleitgitter des Verdichterrades ein Mitdrall-wie auch Gegendrallbetrieb bewerkstelligt wird.

Besonders interessant für den Ottomotor wird die Funktion des variablen Vorleitgitters, wenn damit auch die Funktion der Drosselklappe übernommen wird. Bei niederen Lasten wird das Vorleitgitter den Verdichter durch eine extreme Mitdrallposition in die sogenannte"Turbinenbetriebsweise" bringen können, wodurch als einziger Verbraucher des Abgasturboladers die Lagerung übrig bleibt und damit sehr hohe Abgasturbolader-Drehzahlen bei niederen Lasten einstellbar sind. Hierdurch kann das Konzept des stationären Turboladers in weiten Kennfeldbereichen des Motors realisiert werden, der sich dadurch auszeichnet, daß praktisch kein Turboloch mehr vorhanden ist und unmittelbar beim Gasgeben die gewünschte Luftlieferung für den Momentenaufbau des Motors zur Verfügung gestellt wird.

Eine Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, daß alle oder einzelne Vorleitschaufeln des radialen Vorleitgitters um bis zu 90° Grad um ihre Schwenkachse verdrehbar sind. Dadurch sind sie wahlweise in eine Mitdrallstellung, eine Gegendrallstellung oder in eine offene Stellung verdrehbar.

Die offene Stellung liegt bei etwa 0° Grad. In jeder dieser beliebigen Stellungen sind sie feststellbar. Das radiale Vorleitgitter kann die Funktion einer Drosselklappe übernehmen und reduziert damit einen in den Einströmkanal des Verdichters einströmenden beliebigen Massestrom bis hin zum Leerlaufpunkt des Motors.

Durch die erfindungsgemäße Art der Regelung und Steigerung der Aufladegrade kann die Drehzahl des Abgasturboladers reduziert und der Raddurchmesser der Verdichterräder angehoben werden.

Dadurch ist das bekannte Mixflow-Rad vorteilhafterweise entgegen einer langjährigen Praxis durch ein reines Radialrad auszutauschen. Es wird hinsichtlich des Bauraums möglich, das variable, radiale Vorleitgitter mit geringen Funktionsspalten der Verdichterradschaufeln in dem reinen radialen parallelwandigen Zulauf zum Verdichterrad anzuordnen.

Der Verstellmechanismus wird dann von der konstruktiven wie auch kostenmäßigen Seite stark begünstigt, wodurch die serienmäßige Entwicklung des Gesamtverdichters dadurch merklich vereinfacht ist. Im Gegensatz zu Verdichtern ohne variable Leitgitter kann der Verdichter mit Variogitter auch von der Leistungsaufnahme her gewichtet werden, wenn das Vorleitgitter auf Gegendrall eingestellt wird. Hierdurch läßt sich die Überdrehzahlgefahr, wie sie im Motorbremsbetrieb bei hohen Motordrehzahlen am Nutzfahrzeug bei Abgasturboladern mit hohen Wirkungsgraden auftritt, beseitigen.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Profilkontur der Vorleitschaufel in einfacher zweidimensionaler Geometrie ausgeführt ist. In axialer Richtung des Verdichterrades weist die Vorleitschaufel einen konstanten Querschnitt auf. Die Vorleitschaufelhöhe ist in radialer Richtung des Verdichterrades konstant.

Die Profilkontur der Verdichterradschaufel ist ebenfalls als einfache zweidimensionale Geometrielinie darstellbar. Im Gegensatz zur Vorleitschaufelhöhe ist im Allgemeinen die Verdichterschaufelhöhe in radialer Richtung des Verdichterrades nicht konstant. Die Verdichterschaufelhöhe nimmt bevorzugt mit zunehmendem Radius ab.

Es besteht bei dieser einfachen Radgestaltung die Möglichkeit, daß die Verdichterradschaufeln an ihrer Außenkontur gegenüber dem Grundkörper des Verdichterrades einen gemeinsamen Deckring aufweisen. Dadurch wird zwischen jeweils zwei Verdichterradschaufeln in radialer Richtung ein Kanal gebildet. Der Deckring ist beispielsweise mittels einer Labyrinthdichtung gegenüber dem Gehäuse abgedichtet, um geringste Leckagen zu garantieren. Des Weiteren dient der Deckring zur Stabilisierung hinsichtlich einer Schwingungsanfälligkeit der Radbeschaufelung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist im Gehäuse in Strömungsrichtung nach dem Verdichterrad ein radiales Diffusorgitter mit Diffusorschaufeln angeordnet. Die Diffusorschaufeln sind in einer einfachen Ausführungsform als unverstellbare Festgeometrie ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers ist vorgesehen, die Diffusorschaufeln ebenfalls verstellbar und feststellbar auszubilden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, daß die Abgasturbine in Strömungsrichtung vor dem Abgasturbinenrad ein unverstellbares oder verstellbares Turbinen-Leitgitter aufweist. Die einzelnen Schaufeln des Turbinen-Leitgitters lassen sich entsprechend der Vorleitschaufeln verstellen. Mit einem verstellbaren Turbinen-Leitgitter ist schließlich der gesamte Abgasturbolader volldynamisch regelbar.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß der variable Abgasturbolader in ein Regel-und Steuersystem einer Brennkraftmaschine eingebracht ist, das eine Regel-und Steuereinheit aufweist.

Die Regel-und Steuereinheit nimmt Istwertsignale von der Brennkraftmaschine und von mehreren Drucksensoren im Regel- und Steuersystem auf. Ferner sendet die Regel-und Steuereinheit Steuersignale an vorgesehene Steuereinrichtungen. Diese können beispielsweise Bestandteil des Turbinen-Leitgitters, des Abgasrückführungsventils, des radialen Diffusorgitters oder des radialen Vorleitgitters des Verdichters sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielhaft mehrere Verfahren zum Regeln der Drehzahl eines variablen Abgasturboladers. Der variable Abgasturbolader ist dabei Bestandteil einer Brennkraftmaschine mit Getriebe. In einem ersten Verfahren wird während einer Schaltphase ein regelbarer Gegendrall auf das Verdichterrad erzeugt, wodurch der Abgasturbolader zur Vermeidung von Pumpstößen abgebremst wird.

In einem zweiten Verfahren wird während einer Motorbremsphase mittels eines radialen Vorleitgitters die Verdichterleistungsabnahme durch Drosselung erhöht, wodurch die Drehzahl des Abgasturboladers regelbar begrenzt wird.

In einem dritten Verfahren wird während einer stationären Phase ein regelbarer Mitdrall mit einer Druckabsenkung über dem Gesamtverdichter auf das Verdichterrad erzeugt, wodurch der Verdichter als Turbine arbeitet, was zu hohen Rotordrehzahlen führt.

Außerdem ist es vorteilhaft, daß für die vorstehend genannten Verfahren mittels eines in Strömungsrichtung hinter das Verdichterrad geschalteten, variablen, radialen Diffusorgitters und eines variablen Leitgitters der Turbine die Drehzahl des variablen Abgasturboladers abhängig von einem Ladedruck, einer Last und einer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine geregelt wird. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt : Figur 1 einen Schnitt durch einen Verdichter Figur 2 eine Schnittansicht A-A'nach Figur 1 über den gesamten Umfang des Verdichters, Figur 3 eine schematische Anordnung eines Regel-und Steuersystems zur Regelung einer Brennkraftmaschine, Figur 4 ein Diagramm der Stellung S eines Variogitters in Grad [°] in Abhängigkeit des Ladedrucks P2, Figur 5 ein Diagramm der Motorbrems- leistung PB in Abhängigkeit der Motordrehzahl nM, Figur 6 ein Diagramm der Drehzahl nATL eines Abgasturboladers und des Gegendralls G in Abhängigkeit der Motordrehzahl nM.

Die Figuren 1 und 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines einfachen, variablen Radialverdichters 3, der in einem radialen Zulauf 3.3b ein erfindungsgemäßes, radial ausgerichtetes, variables Vorleitgitter 4 direkt vor einer Verdichterradbeschaufelung 3.2 aufweist. In Figur 2 ist gemäß einem Schnitt A-A'nach Figur 1 der gesamte Querschnitt des Radialverdichters 3 dargestellt.

Die Zuströmung in einen Einströmkanal 3.3 zum radialen Vorleitgitter 4 erfolgt durch einen freien, axialen Kanal 3.3a, der in den nachfolgenden, radialen Zulauf 3.3b mündet, in dem das radiale Vorleitgitter 4 vorgesehen ist.

Das betreffende radiale Vorleitgitter 4 ist in Figur 2 in zwei verschiedenen Stellungen 4.2 dargestellt : eine extreme Mitdrallstellung, in der das radiale Vorleitgitter 4 den radialen Zulauf 3.3b fast ganz schließt, und die nahezu vollständig offene Stellung. Würde man das Gitter aus der Mitdrallstellung über die offene Stellung weiterdrehen, kommt man in eine Gegendrallstellung. In der Gegendrallstellung wird die Strömungsumlenkung eines Verdichterrades 3.1 weiter gesteigert und die aerodynamische Belastung und die Druckerzeugung durch das Verdichterrad 3.1 verstärkt. Der Verstellwinkelbereich der Vorleitschaufeln 4.1 ist je nach Dicke der Vorleitschaufeln 4.1 von ca.-90°bis zu +90°. Dieser Verstellwinkelbereich hat eine große Variabilität zum Vorteil, von der fast geschlossenen Mitdrallposition im Motorleerlauf bei Ottomotoren bis zur größtmöglichen aerodynamischen Belastung des Verdichterrades 3.1 bei Nutzfahrzeug- Dieselmotoren im Motorbremsbetrieb. Dieser Verstellbereich ist durch eine konstante Vorleitschaufelhöhe 4. la auf einfache Weise realisierbar.

Ein großer Kostenvorteil des Konzepts ist die Möglichkeit der zweidimensionalen Gestaltung der radialen Vorleitschaufel 4.1 und auch der Verdichterradschaufel 3.2. Die Verdichterradschaufel 3.2 des Verdichterrades 3.1 wird mittels der Kontur einer Verdichterschaufelhöhe 3.2a an die Durchsatz- Bedürfnisse auf einfache Weise angepaßt.

Zur Stabilisierung hinsichtlich einer Schwingungsanfälligkeit der Verdichterradschaufeln 3.2 ist vorgesehen, die Außenkontur der Verdichterradschaufeln 3.2 mit einem nicht dargestellten Deckring zu stabilisieren. Mittels des Deckrings können gegenüber einem Gehäuse 1.1 nicht dargestellte Abdichtmaßnahmen wie Labyrinthdichtungen vorgesehen werden, welche die Leckagen klein halten.

Das Verdichterrad 3.1 ist entsprechend der Figur 1 als bohrungsloses Verdichterrad 3.1 an der Stirnseite einer Welle 1.2 befestigt, was hinsichtlich der Festigkeitsbeanspruchung eine günstige Ausgangsbedingung zum Vorteil hat.

Zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen radialen Vorleitgitter 4 ist direkt nach den Verdichterradschaufeln 3.2 ein variabel beschaufelter Diffusor bzw. ein Variodiffusor 5 mit drehbaren Diffusorschaufeln 5.1 vorgesehen, mit dem das Verhalten des Verdichters 3 nochmals bezüglich der Pump-und Stopfgrenzenlage verstärkt positiv beeinflußt wird.

In einer vereinfachten Ausführungsform wird der Verdichter 3 nur mit einem verstellbaren Element konzipiert, d. h. der beschaufelte oder unbeschaufelte, dem Verdichterrad 3.1 nachfolgende Diffusor 5 ist bei Vorhandensein eines variablen Vorleitgitters 4 als unverstellbare Festgeometrie ausgebildet.

Die Einbindung der variablen Verdichtergeometrie in ein Regel- und Steuersystem 20 einer Brennkraftmaschine 10 zeigt die Figur 3. Eine Regel-und Steuereinheit 30 nimmt Istwertsignale 35 der Brennkraftmaschine 10 auf und gibt Steuersignale 33,34 an einen Abgasturbolader 1 bzw. an das variable Vorleitgitter 4 und an den Variodiffusor 5 weiter.

Der variable Verdichter 3 ist mit einer Abgasturbine 2 mit einem variablem Turbinen-Leitgitter 2.1 gepaart, deren Stellung des Turbinen-Leitgitters 2.1 ebenfalls in Abhängigkeit zu einem Steuersignal 31 steht.

Die Ladungswechselzustandsgrößen, die vom Verhalten des Abgasturboladers 1 mitbestimmt werden, erfordern in der Betriebsweise der Abgasrückführung eine Überwachung eines Abgasrückführungsventils 11. Das Abgasrückführungsventil 11 wird ebenfalls von der Regel-und Steuereinheit 30 mit Steuersignalen 32 versorgt. Von besonderem Interesse sind als Ladungswechselzustandsgrößen die Drücke an einer Stelle 1 12 und an einer Stelle II 13 der Brennkraftmaschine 10.

Das Abgasrückführungsventil 11 befindet sich in der gezeigten Anordnung vor einem Abgasrückführungskühler 14. Das Abgas wird zur Vermeidung der Verschmutzung nach einem Ladeluftkühler 15 der Verbrennungsluft nahe vor dem Eintritt in die Brennkraftmaschine 10 zugemischt.

In Figur 4 wird ein Prinzipdiagramm dargestellt, auf dem ein Ladedruck P2 die Abszisse bildet und auf der Ordinate ein Drallzustand S, der durch das radiale Vorleitgitter 4 des Verdichters 3 bewirkt wird, aufgetragen ist. Der drallfreie Zustand der Anströmung des Verdichterrades 3.1 trennt die Mitdrall-Bereiche I und II von den Gegendrall-Bereichen III und IV.

An einem Ottomotor ist besonders der Bereich I von Interesse, in dem das Vorleitgitter 4 die Funktion einer Drosselklappe übernimmt und den Unterdruck mit einer hohen Mitdrallströmungsgeschwindigkeit bewirkt. Hier kann das Konzept des sogenannten"stationären Turboladers"maßgebend unterstützt werden, indem die Verluste an der Drosselklappe vermieden werden und hier vorteilhaft zur Energieumsetzung im Verdichter 3 als Antriebsenergie genutzt werden. Der Verdichter 3 arbeitet in diesem Feld praktisch als Turbine, um eine Abgasturbolader-Drehzahl nA 2 möglichst hoch zu halten.

Das Vorleitgitter 4 wird im Leerlauf der Brennkraftmaschine 10 bis zu einem gewünschten Minimalquerschnitt Smax geschlossen.

Im oberen Lastbereich des Ottomotors wird das Feld II wirksam, in dem die Mitdrallintensität einmal vom Ladedruck p2 und einer Abgasturbolader-Drehzahl nATL abhängt. Je höher die Abgasturbolader-Drehzahl nATL sein soll, um so mehr wird der Mitdrall bei gegebenem Soll-Ladedruck intensiviert.

Die Gegendrall-Bereiche III und IV sind am Ottomotor in einem niederen Motordrehzahlbereich nM weniger nützlich, da hier die Pumpgrenze zu höheren Durchsätzen hin verschoben wird und eher Pumpgefahr bedeutet. Prinzipiell lassen sich diese Bereiche jedoch zum schnellen Abbremsen des Abgasturboladers 1 am Verdichter 3 nutzen, um der Pumpgefahr in der Schaltphase aus dem Wege zu gehen, wenn die Motordrehzahlen nM sehr schnell abfallen.

Eine größere Bedeutung besitzt der Bereich IV für das Motorbremsen bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren bei höchsten Turbo-Bremsleistungen. Durch die Gegendrallbetriebsweise kann die Abgasturbolader-Drehzahl nATL unter eine Festigkeitsgrenzdrehzahl nATL, i der Verdichter-und Turbinenräder gedrückt werden, ohne auf Bremsleistungshöhe verzichten zu müssen.

In Richtung höherem Ladedruck P2 sind die Felder II und IV durch eine Vollast Pv begrenzt.

Anhand der Figuren 5 und 6 wird dies durch drei Parameter verdeutlicht, die in Abhängigkeit der Motordrehzahl nM dargestellt sind. Die gestrichelten Linien stellen jeweils einen drallfreien Zustand, die durchgezogene Linie einen Zustand mit Gegendrall des Verdichters dar.

Gemäß Figur 5 ist eine Motorbremsleistung PB über der Motordrehzahl UM dargestellt. In Figur 6 ist nach oben die Drehzahl des Abgasturboladers nATL und nach unten das Maß eines Gegendralls G über die Motordrehzahl nM dargestellt. Die Motordrehzahl nM ist bei einer Betriebsdrehzahl nMO begrenzt.

Bei einer drallfreien Radzuströmung des Verdichters nach den gestrichelten Linien muß ab einer Drehzahlgrenze I1ATL, maX des Abgasturboladers die maximale Motorbremsleistung PB durch ein Öffnen des Variogitters 2.1 der Abgasturbine 2 beschränkt werden, um die Grenzdrehzahl des Abgasturboladers nATL, max nicht zu überschreiten. Mit der Steigerung der aerodynamischen Belastung des Verdichterrades 3.1 kann mittels eines Gegendralls G entsprechend der durchgezogenen Linien die Motorbremsleistung PB deutlich angehoben werden, ohne daß die Grenzdrehzahl des Abgasturboladers nATL, max überschritten wird.

Hier macht die Spitzendruckbegrenzung in den Motorzylindern ab einem bestimmten Ladedruck die maßgebende Begrenzung aus.

Bezugszeichenliste 1 Abgasturbolader 1.1 Gehäuse 1.2 Welle 2 Abgasturbine 2.1 Turbinen-Leitgitter 3 Verdichter, Radialverdichter 3.1 Verdichterrad 3.2 Verdichterradschaufeln 3.2a Verdichterschaufelhöhe 3.3 Einströmkanal 3.3a axialer Kanal 3.3b radialer Ringkanal, radialer Zulauf 3.4 Verdichterradumfang 4 Drall-und/oder Drosseleinrichtung, radiales Vorleitgitter, Variogitter 4.1 Vorleitschaufeln 4. la Vorleitschaufelhöhe 4.2 Stellung 5 radiales Diffusorgitter, radialer Diffusor, Variodiffusor 5.1 Diffusorschaufeln 10 Brennkraftmaschine 11 Abgasrückführungsventil 12 Stelle I 13 Stelle II 14 Abgasrückführungskühler 15 Ladeluftkühler 20 Regel-und Steuersystem 30 Regel-und Steuereinheit 31 Steuersignale 32 Steuersignale 33 Steuersignale 34 Steuersignale 35 Istwertsignale G Gegendrall nATL Drehzahl Abgasturbolader nATL, max Drehzahlgrenze Abgasturbolader nATL, 1 gedrückte ATL-Drehzahl nATL, 2 hohe ATL-Drehzahl nM Motordrehzahl nMO Betriebsdrehzahl PB Motorbremsleistung Pv Vollast P2 Ladedruck S Stellung des Variogitters in Grad Drallzustand Smax Anschlagposition des Variogitters, Drosselstellung