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Dokumentenidentifikation DE102004030449A1 12.01.2006
Titel Verdichtervorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Baeuerle, Michael, 71254 Ditzingen, DE
DE-Anmeldedatum 24.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004030449
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.01.2006
IPC-Hauptklasse F02B 37/24(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse F01D 17/14(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung und ein Verfahren zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft. Die Verdichtervorrichtung (100) umfasst einen Strömungskanal (110), in welchem das Medium strömt. In dem Strömungskanal ist mindestens ein Leitelement (120-1...-4) vorgesehen zum Leiten beziehungsweise Führen des strömenden Mediums. Zur Einstellung der Leitelemente umfasst die Verdichtervorrichtung (100) eine Verstelleinrichtung (132, 134, 136). Diese Verstelleinrichtung dient zum einen dazu, über eine Veränderung der Einstellung der Leitelemente eine Veränderung des Drallwinkels des strömenden Mediums zu erwirken. Um darüber hinaus jedoch auch bei negativer Lastdynamik einer Brennkraftmaschine, in deren Turbolader (200) die Verdichtervorrichtung (100) vorzugsweise eingebaut ist, einen besonders langsamen Abfall der Drehzahl des Turboladers (200) zu ermöglichen, sind die Verstelleinrichtung (132, 134, 136) und die Leitelemente (120-1...-4) weiterhin so ausgebildet, dass sie eine lokale Veränderung einer Strömungsquerschnittsfläche (Sq-1...-4), durch welche das Medium innerhalb des Ströungskanals (110) strömt, ermöglichen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Verdichtervorrichtung sowie ein entsprechendes Computerprogramm.

Im Stand der Technik sind derartige Verdichtervorrichtungen, insbesondere als Teile von Turboladern, bekannt, welche zum Aufladen, das heißt zum Vorverdichten von Frischluft für eine Brennkraftmaschine, dienen. Das Einbringen der vorverdichteten Frischluft in die Brennkammern der Brennkraftmaschine ermöglicht eine Leistungserhöhung der Brennkraftmaschine. Insbesondere bei turboaufgeladenen Rennmotoren ist es üblich, stromaufwärts der Verdichtervorrichtung im Frischluftkanal eine Turbodrossel vorzusehen, welche in Phasen negativer Lastdynamik, zum Beispiel beim Gaswegnehmen aus Volllast zwecks Gangwechsel, durch geeignete Ansteuerung einen verlangsamten Drehzahlabfall des Turboladers bewirkt. Durch diesen verlangsamten Drehzahlabfall gelingt nach einer temporären Gaswegnahme ein spontaneres Wiederaufbauen des Ladedruckes und damit einhergehend eine schnellere Verfügbarkeit von erhöhter Leistung der Brennkraftmaschine.

Weiterhin sind aus dem Stand der Technik insbesondere Radialverdichter mit variablem Vorleitdrall bekannt. Derartige Radialverdichter weisen in ihrem Strömungskanal Leitelemente zum Leiten beziehungsweise Führen eines durchströmenden Mediums auf, wobei diese Leitelemente mit Hilfe einer Verstelleinrichtung verwindbar sind. Durch eine geeignete Verwindung dieser Leitelemente ist eine Variation des Drallwinkels des strömenden Mediums möglich; dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Verschiebung des Kennfeldes der Verdichtervorrichtung; genauer gesagt, ermöglicht es eine Ausdehnung von (linker) Pumpgrenze und (rechter) Stopfgrenze des Verdichterkennfeldes.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Verdichtervorrichtung sowie ein Verfahren und Computerprogramm zu deren Betrieb bereitzustellen, welche die Vorteile eines verminderten Drehzahlverlustes bei negativer Lastdynamik und einer Verschiebung des Verdichterkennfeldes miteinander vereinigt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Genauer gesagt, wird die Aufgabe durch eine Verdichtervorrichtung zum Verdichten eines strömenden Mediums gelöst, welche umfasst: Einen Strömungskanal, in welchem das Medium strömt; mindestens ein Leitelement innerhalb des Strömungskanals zum Leiten beziehungsweise Führen des strömenden Mediums; eine Verstelleinrichtung zum Einwirken auf das Leitelement zwecks Veränderung des Drallwinkels des strömenden Mediums und welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verstelleinrichtung und das Leitelement weiterhin ausgebildet sind, durch geeignetes Zusammenwirken eine lokale Veränderung einer Strömungsquerschnittsfläche zu realisieren, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals strömt.

Vorteile der Erfindung

Die beanspruchte Verdichtervorrichtung ermöglicht vorteilhafterweise ein Verstellen des Leitelementes in dem Strömungskanal so, dass zum einen eine Veränderung des Drallwinkels und zum anderen aber auch eine Veränderung der Strömungsquerschnittsfläche, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals strömt, möglich ist. Beide Effekte können grundsätzlich zeitlich nacheinander oder gleichzeitig realisiert werden. Die Veränderung des Drallwinkels des strömenden Mediums ermöglicht eine vorteilhafte Verschiebung des Kennfeldes der Verdichtervorrichtung, wobei das Verdichterkennfeld beispielsweise das Druckverhältnis, das heißt den Druck stromaufwärts bezogen auf den Druck stromabwärts der Verdichtervorrichtung, aufgetragen über dem Volumenstrom, repräsentiert. Insbesondere ermöglicht die Veränderung des Drallwinkels eine Ausdehnung der linken und der rechten Begrenzung, das heißt der Pumpgrenze und der Stopfgrenze dieses Verdichterfeldes. Demgegenüber ermöglicht die beanspruchte Veränderung der Strömungsquerschnittsfläche vorteilhafterweise einen verlangsamten Drehzahlabfall bei negativer Lastdynamik und daraus resultierend die Möglichkeit eines schnelleren Wiederaufbauens des Ladedrucks und der Leistung einer Brennkraftmaschine zu Beginn einer nachfolgenden Aufladephase. Die Funktion der Veränderung der Strömungsquerschnittsfläche entspricht der Funktion der aus dem Stand der Technik bekannten Turbodrossel stromaufwärts der Verdichtervorrichtung. Diese Turbodrossel und die damit verbundenen Material- und Einbaukosten können deshalb bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung eingespart werden.

Die bei der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung verwendeten Leitelemente sind vorzugsweise ähnlich wie Drosselklappen ausgebildet und sind in dem Strömungskanal drehbar gelagert. Je nach Ansteuerung beziehungsweise Einstellung der Leitelemente bewirken sie die besagte Veränderung des Drallwinkels und/oder der Strömungsquerschnittsfläche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Leitelemente und einer Verstelleinrichtung für deren Ansteuerung sind Gegenstand der Vorrichtungsunteransprüche.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben der besagten Verdichtervorrichtung sowie durch ein entsprechendes Computerprogramm gelöst. Die Vorteile dieser Lösungen entsprechen grundsätzlich den oben mit Bezug auf die Verdichtervorrichtung genannten Vorteilen.

Besonders vorteilhaft wird die erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Ladedrucks einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Dabei ist jedoch zwischen zwei Betriebsmodi der Brennkraftmaschine zu unterscheiden. In einem ersten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, der sich durch eine negative Lastdynamik auszeichnet und währenddessen ein Bypassventil der Brennkraftmaschine im Wesentlichen permanent geöffnet ist, wird der Ladedruck gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend einem vorgegebenen zeitlichen Sollladedruckverlauf reduziert, indem so auf die Leitelemente eingewirkt wird, dass sie eine Drosselwirkung in Form einer Verringerung der Strömungsquerschnittsfläche realisieren. Demgegenüber werden die Leitelemente bei einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem eine Aufladung, das heißt eine Vorverdichtung der Frischluft für die Brennkraftmaschine erfolgt, so angesteuert, dass sich bei dem strömenden Medium ein gewünschter Drallwinkel einstellt. Während dieses zweiten Betriebsmodus erfolgt eine Steuerung oder Regelung des Ladedruckes primär über ein Bypassventil der Brennkraftmaschine. Lediglich ergänzend dazu wird auch über die beschriebene Veränderung des Drallwinkels auf den Ladedruck eingewirkt. Diese Unterstützung der Ladedruckregelung durch die Veränderung des Drallwinkels bewirkt insgesamt ein verbessertes Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine, welches sich insbesondere in einem verbesserten Wirkungsgrad und darüber hinaus in einer Ausdehnung der Pump- und Stopfgrenze in dem Kennfeld der Verdichtervorrichtung auswirkt.

Vorteilhafte Methoden zur Bestimmung des optimalen Drallwinkels während des zweiten Betriebsmodus sind Gegenstand von Verfahrensunteransprüchen.

Zeichnungen

Der Beschreibung sind insgesamt sechs Figuren beigefügt, wobei

1 eine erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung eingebaut in einen Frischluftkreislauf einer Brennkraftmaschine;

2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung mit einer ersten Position der Leitelemente;

3 den Aufbau der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung mit einer zweiten Position der Leitelemente;

4 den Aufbau der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung mit einer dritten Position der Leitelemente;

5 das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Verdichtervorrichtung während eines Betriebs der Brennkraftmaschine bei negativer Lastdynamik;

6 das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Verdichtervorrichtung während eines Aufladebetriebs der Brennkraftmaschine; und

7 ein Kennfeld der Verdichtervorrichtung veranschaulicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

1 zeigt eine Brennkraftmaschine 300 mit angeschlossener Frischluftzuführung 50a, 50b, 50c und angeschlossenem Abgasstrang 150. Zwischen den Abgasstrang 150 und die Frischluftzuführung ist ein Abgasturbolader 200 geschaltet. Der Turbolader 200 dient zur Steuerung beziehungsweise Regelung des Ladedrucks, das heißt zur Regelung der Größe des Druckes, mit welchem die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluft vorverdichtet wird. Dieser Druck lässt sich durch die Drehzahl des Turboladers beziehungsweise von dessen Turbine 200a steuern oder regeln. Die Drehzahl der Turbine 200a und damit der Ladedruck werden traditionell über ein Bypassventil 600 im Abgaskanal 150 gesteuert, indem mit dessen Hilfe die Größe des die Turbine 200a antreibenden Abgasvolumenstromes geregelt wird.

Die Verdichtervorrichtung 100 sitzt in der Frischluftzuführung und dient zum Verdichten der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft als strömendem Medium. Bei der Frischluftzuführung wird zwischen einem Bereich stromaufwärts 50a und Bereichen stromabwärts 50b, 50c bezogen auf die Position der Verdichtervorrichtung 100 unterschieden. Die Frischluft tritt, wie durch die Pfeile im Bereich der Frischluftzuführung in 1 angedeutet, zunächst von rechts kommend durch einen Luftmassenmesser 400 in den Bereich 50a der Frischluftzuführung stromaufwärts der Verdichtervorrichtung 100 ein. Sie wird dann von der Verdichtervorrichtung 100 verdichtet und über die Bereiche 50b und 50c, welche durch eine Motordrossel 500 miteinander gekoppelt sind, in verdichteter Form den Brennkammern der Brennkraftmaschine 300 zugeführt.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Verdichtervorrichtung 100. Die Verdichtervorrichtung 100 umfasst im Wesentlichen einen Strömungskanal 110, der in 2 im Querschnitt dargestellt ist. Ortsfest zu der Wandung des Strömungskanals ist eine Halterung 140 vorzugsweise in Form eines Achsenabschnitts vorhanden. Die Halterung 140 beziehungsweise der Achsenabschnitt sind an ihrem stromaufwärtigen Ende vorzugsweise strömungsgünstig in Form eines Spinners (hier nicht gezeigt) gestaltet. In die Halterung 140 und die Wandung des Strömungskanals 110 sind einander zugeordnete Lagerelemente 136–1a, –1b, –2a, –2b, –3a, –3b, –4a und –4b eingebaut, die jeweils paarweise eine ortsfeste Drehachse DR–1, DR–2, DR–3, und DR–4 definieren.

In jeweils zweien der Lagerelemente 136–1a ...–4b ist jeweils ein Leitelement 120–1 ...–4 um die jeweilige Drehachse DR–1 ...–4 drehbar gelagert. 2 zeigt die Leitelemente 120–1 ...–4 lediglich in ihrer Profilansicht in Form dicker, schwarzer Striche. Die flächig ausgebildeten Leitelemente erstrecken sich in 1 senkrecht zur Zeichenebene; der Strömungskanal ist bei dieser Position der Leitelemente für das durchströmende Medium maximal geöffnet. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass eine Strömungsquerschnittsfläche, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals 110 strömt, in 2 maximal ist; die Strömungsquerschnittsfläche besteht aus der Summe der vier Teilflächen Sq–1 ...–4.

Zur Verstellung der Leitelemente 120–1 ...–4 ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen. Diese Verstelleinrichtung umfasst bei dem in den 2, 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein erstes Verstellrad 132, welches gegenüber der Wandung des Strömungskanals 110 drehbar gelagert ist. Weiterhin umfasst die Verstelleinrichtung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 vier zweite Verstellräder 134–1 ...–4. Jedes dieser zweiten Verstellräder dient zur Ansteuerung beziehungsweise Einstellung eines ihm individuell zugeordneten Leitelementes 120–1 ...–4. Die zweiten Verstellelemente sind jeweils axial zu den ortsfesten Drehachsen DR-1 ...–4 angeordnet und mit den ihnen zugeordneten Leitelementen 120–1 ...–4 drehfest verbunden. Jedes der in 2 gezeigten Verstellräder 134–1 ...–4 ist mit dem ersten Verstellrad 132 drehgekoppelt. Eine Drehung des ersten Verstellrades 132 bewirkt deshalb eine synchrone beziehungsweise gleichphasige Veränderung in der Positionierung aller vier Leitelemente 120–1 ...–4. Die Einstellung einer gewünschten Position der Leitelemente 120–1 ...–4 gegenüber dem strömenden Medium durch geeignetes Verdrehen des ersten Verstellrades 132 erfolgt vorzugsweise durch eine elektrische Antriebseinrichtung 150, zum Beispiel einen Stellmotor.

In den 3 und 4 ist dieselbe Verdichtervorrichtung 100 dargestellt, wie sie oben unter Bezugnahme auf 2 detailliert beschrieben wurde. Im Unterschied zu der Darstellung in 2 sind in den 3 und 4 die Leitelemente 120–1 ...–4 jedoch in anderen Positionen gezeigt. So veranschaulicht 3 eine Position der Leitelemente, die eine teilweise Schließung des Strömungskanals beziehungsweise eine deutliche Verringerung der Strömungsquerschnittsfläche gegenüber der in 2 gezeigten Querschnittsfläche bedeutet. Auch in 3 ist die gesamte Strömungsquerschnittsfläche, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals verströmt, durch die Summe der Teilflächen Sq–1 ...–4 gebildet; diese Summe ist jedoch wesentlich kleiner als die Summe in 2.

In 4 ist diese Summe auf ein Minimum reduziert. Jede einzelne der Teilflächen Sq–1 ...–4 wird jeweils nur noch durch einen dünnen Spalt zwischen den nunmehr gegenüber der in 2 gezeigten Position um 90° gedrehten Leitelementen 120–1 ...–4 gebildet. Diese Spalte sind in 4 durch dicke, schwarze Striche angedeutet. Der Strömungskanal 110 ist deshalb bei der in 4 gezeigten Positionierung der Leitelemente 120–1 ...–4 bis auf die erwähnten Spalte gänzlich geschlossen.

In 4 ist ein Beispiel für die flächige Ausgestaltung der Leitelemente 120–1 ...–4 erkennbar. Bei einem Strömungskanal mit kreisförmigem Querschnitt empfiehlt sich eine segmentförmige Ausgestaltung der Leitelemente, wie in 4 dargestellt. Die Leitelemente, in 4 vier Stück, sind vorzugsweise symmetrisch über den Querschnitt des Strömungskanals verteilt gelagert; sie decken dann jeweils einen Segmentwinkel von im Wesentlichen 360°/Anzahl der Leitelemente ab. In den 2 bis 4 beträgt dieser Segmentwinkel jeweils 90°. Diese segmentförmige Ausgestaltung der Leitelemente ist besonders deutlich in 4 zu erkennen. Die 3 und 2 zeigen jeweils projizierte Flächen dieser segmentförmigen Leitelemente bei einer Drehung der Leitelemente um ungefähr 45° in 3, beziehungsweise 90° in 2, gegenüber der Position in 4.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Verdichtervorrichtung 100 näher beschrieben. Wie bereits einleitend erwähnt, wird die Verdichtervorrichtung 100 vorzugsweise zur Steuerung oder Regelung des Ladedruckes LD bei der Brennkraftmaschine 300 verwendet. Dabei ist jedoch zwischen einem ersten Betriebsmodus, bei dem die Brennkraftmaschine 300 mit einer negativen Lastdynamik betrieben wird, und einem zweiten Betriebsmodus, bei dem eine permanente Aufladung, das heißt eine kontinuierliche Vorverdichtung der der Brennkraftmaschine zugeführten Frischluft erfolgt, zu unterscheiden.

Der erste Betriebsmodus bezeichnet einen transienten Zustand, bei dem die Brennkraftmaschine aus einem Zustand der Aufladung in einen Schubbetrieb übergeht. Ein derartiger Zustand entsteht beispielsweise durch Gaswegnehmen bei einem vorherigen Volllastbetrieb. Das Bypassventil 600 ist während dieses ersten Betriebsmodus im Wesentlichen permanent vollständig geöffnet; das heißt es findet keine Regelung des Ladedruckes mit Hilfe des Bypassventils statt. Stattdessen erfolgt eine Regelung des Ladedruckes LD gemäß der vorliegenden Erfindung zur geeigneten Ansteuerung der Leitelemente 120–1 ...–4.

Eine entsprechende Regelung ist in 5 beispielhaft veranschaulicht. Es ist dort zu erkennen, dass der Ladedruck LD mit Hilfe eines Ladedrucksensors 510 erfasst und in einer Vergleichereinrichtung 520, beispielsweise einer Differenzbildungseinrichtung, mit einem Sollladedruck SLD verglichen wird. Dieser Sollladedruck SLD ist bei dem ersten Betriebsmodus zeitabhängig; er beschreibt insbesondere die zeitliche Abnahme des Ladedruckes ausgehend von einem hohen Ladedruckwert während einer Aufladephase bis hin zu einem Ladedruck vorzugsweise leicht oberhalb des Atmosphärendruckes in der Schubphase am Ende des ersten Betriebsmodus. Eine durch die Vergleichereinrichtung 520 gebildete Regelabweichung e findet Eingang in eine Reglereinrichtung 530, welche eine Stellgröße für die Antriebseinrichtung 150 zum Ansteuern, beziehungsweise Einstellen, einer entsprechend geeigneten Position der Leitelemente 120–1 ...–4 dient. Die Regeleinrichtung 530 kann im einfachsten Fall ein P-Regler sein, der den Anstellwinkel der Leitelemente proportional zur Regelabweichung e korrigiert. Eine Vorsteuerung in Form einer Winkelvorgabe als Funktion des Luftmassendurchsatzes könnte die Reglereinrichtung 530 wirkungsvoll unterstützen.

Durch das Halten des Ladedruckes LD im Übergang zum Schubbetrieb leicht oberhalb des Atmosphärendruckes wird bei Verwendung der Verdichtervorrichtung 100 in einem Turbolader verhindert, dass unerwünschterweise Schmieröl aus der Lagerung des Turboladers in die stromabwärtsseitige Frischluftzuführung 50b angesaugt wird. Die Reglereinrichtung 530 generiert an ihrem Ausgang eine Stellgröße zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung 150 beziehungsweise zum Einstellen einer gewünschten Position der Leitelemente 120–1 ...–4. Die Leitelemente 120–1 ...–4 werden dann während des ersten Betriebsmodus, wie in den

3 und 4 gezeigt, so eingestellt, dass der Strömungskanal fast ganz geschlossen wird; dies erfolgt im Wesentlichen parallel zu einem Schließen der Motordrossel 500. Durch das weitgehende Verschließen der Frischluftzuführung entsteht stromaufwärts der Verdichtereinrichtung 100 ein Unterdruck. Durch diesen Unterdruck bleibt der Volumenstrom des Frischgases zunächst konstant, dessen Massenstrom sinkt jedoch entsprechend der Lastabnahme stark ab. Dadurch sinkt die Leistungsaufnahme der Verdichtereinrichtung 100, wodurch die Drehzahl des Abgasturboladers 200, gespeist durch die kinetische Energie aus der eigenen Massenträgheit, weitgehend pumpfrei und im Vergleich zu einem im Stand der Technik bekannten Umluftsystem langsamer abfällt. Der verlangsamte Drehzahlabfall des Turboladers 200 begünstigt ein späteres spontanes Wiederaufbauen des Ladedruckes LD, da dann die Startdrehzahl des Abgasturboladers nach einer kurzen Schubphase höher liegt als ohne eine entsprechende erfindungsgemäße Regelung des Ladedruckes über die Einstellung der Leitelemente. Anstelle der in 5 gezeigten und soeben beschriebenen Regelung kann auch während des ersten Betriebsmodus der Ladedruck entsprechend einem vorgegebenen Sollladedruckverlauf gesteuert werden.

Während des oben erwähnten zweiten Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, das heißt während einer Aufladephase, erfolgt die Regelung des Ladedruckes grundsätzlich über das Bypassventil 600, wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Erfindungsgemäß wird jedoch vorgeschlagen, diese Regelung des Ladedruckes durch ein zusätzlich stattfindendes geeignetes Einwirken auf die Leitmittel 120–1 ...–4 der Verdichtungsvorrichtung 100 zu unterstützen. Dabei erfolgt die Einwirkung auf die Leitelemente im Unterschied zu dem ersten Betriebsmodus nicht so, dass diese den Strömungskanal 110 im Wesentlichen verschließen, sondern stattdessen bleibt dieser zumindest weitgehend geöffnet. Allerdings wird dann über die Leitelemente 120–1 ...–4 ein gewünschter Drallwinkel des durch die Verdichtervorrichtung 100 strömenden Mediums, das heißt der Frischluft, eingestellt. Der für jeden Betriebspunkt optimale Drallwinkel wird beispielsweise durch Auswerten des jeweils aktuellen Luftmassenstromes LM und eines jeweils aktuellen Druckverhältnisses DV stromaufwärts zu stromabwärts der Verdichtervorrichtung 100 mit Hilfe eines Kennlinienfeldes KD gemäß 7 ermittelt, wobei in dem Kennfeld KD das Druckverhältnis DV gegenüber einem Volumenstrom V aufgetragen ist. Der so ermittelte optimale Drallwinkel wird dann in eine entsprechende Stellgröße für die Antriebseinrichtung 150 zum Einstellen der Leitelemente 120–1 ...–4 der Verdichtervorrichtung 100 umgerechnet und dieser zugeführt. Der auf diese Weise eingestellte Drallwinkel der Frischluft unterstützt die oben erwähnte Regelung des von dem Abgasturbolader 200 generierten Ladedruckes. Die Einstellung des optimalen Drallwinkels führt insbesondere zu einer gewünschten Verschiebung beziehungsweise Veränderung des Kennfeldes der Verdichtervorrichtung 100; genauer gesagt zu einer Ausdehnung der Pumpgrenze P des Kennfeldes nach links bzw. zu kleineren Volumenströmen (siehe 7). Dabei kennzeichnet I das effektive Verdichterkennfeld bei maximalem Drallwinkel, während II das Verdichterkennfeld ohne Drall kennzeichnet. Der Drallwinkel kann dabei max. ca. 60–70° betragen, d.h. die einströmende Luft wird beim Durchströmen der Vorrichtung max. ca. 60–70° entgegen der Drehrichtung des Verdichterrades ausgelenkt, so dass eine Drehung der einströmenden Luftsäule axial zum und entgegen des Verdichterrades entsteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in Form eines Computerprogramms für ein Steuergerät zur Ansteuerung des Turboladers, beziehungsweise der Antriebseinrichtung 150, realisiert. Dieses Computerprogramm kann gegebenenfalls zusammen mit weiteren Computerprogrammen zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine auf einem computer-lesbaren Datenträger abgespeichert sein. Bei dem Datenträger kann es sich um eine Diskette, eine Compact-Disc (CD), einen sogenannten Flash-Memory oder dergleichen handeln. Das auf dem Datenträger abgespeicherte Computerprogramm kann dann als Produkt an einen Kunden übertragen oder verkauft werden. Alternativ zu einer Übertragung des Computerprogramms per Datenträger kann das Computerprogramm auch ohne die Zuhilfenahme des Datenträgers über ein elektronisches Kommunikationsnetzwerk, insbesondere über ein Client-Server-Netzwerk wie das Internet, an den Kunden übertragen werden.


Anspruch[de]
  1. Verdichtervorrichtung (100), insbesondere als Teil eines Turboladers (200), zum Verdichten eines strömenden Mediums, insbesondere Luft, umfassend:

    einen Strömungskanal (110), in welchem das Medium strömt;

    mindestens ein Leitelement (120-1 ...-4) innerhalb des Strömungskanals (110) zum Leiten des strömenden Mediums;

    und

    eine Verstelleinrichtung (132, 134, 136) zum Einwirken auf das Leitelement (120-1 ...-4) zwecks Veränderung des Drallwinkels des strömenden Mediums;

    dadurch gekennzeichnet, dass

    die Verstelleinrichtung (132, 134, 136) und das Leitelement (120–1 ...–4) weiterhin ausgebildet sind, durch geeignetes Zusammenwirken eine lokale Veränderung einer Strömungsquerschnittsfläche (Sq–1 ...–4) zu realisieren, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals (110) strömt.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aufweist:

    eine in dem Strömungskanal (110) ortsfest positionierte Halterung (140), vorzugsweise in Form eines Achsenabschnittes; und

    jeweils mindestens ein Lagerelement (136–ia, 136–ib mit i = 1...4) in der Halterung (140) und einer Wandung des Strömungskanals (110), wobei die beiden Lagerelemente (136-ia, 136-ib mit i = 1...4) einander zugeordnet sind und zusammen eine ortsfeste Drehachse (DR–1 ...–4) definieren, und wobei das Leitelement (120–1 ...–4) zwischen der Wandung und der Halterung (140) in den Lagerelementen um die Drehachse (DR–1 ...–4) drehbar gelagert ist.
  3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung aufweist:

    ein gegenüber dem Strömungskanal (110) drehbar gelagertes erstes Verstellrad (132); und

    mindestens ein axial zu der ortsfesten Drehachse (DR-1 ...-4) angeordnetes und mit dem Leitelement (120–1 ...–4) drehfest verbundenes zweites Verstellrad (134–1 ...–4), welches mit dem ersten Verstellrad (132) drehgekoppelt ist.
  4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung (150), vorzugsweise einen Stellmotor, zum Einstellen einer gewünschten Position des Leitelementes (120–1 ...–4) gegenüber dem strömendem Medium durch geeignetes Verdrehen des ersten Verstellrades (132).
  5. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Mehrzahl von Leitelementen (120–1 ...–4) aufweist, welche bei Lagerung in einem Abschnitt des Strömungskanals (110) mit kreisförmigem Querschnitt jeweils segmentförmig ausgebildet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (120–1 ...–4) symmetrisch über den Querschnitt des Strömungskanals (110) verteilt gelagert sind und jeweils einen Segmentwinkel von im wesentlichen 360°/Anzahl der Leitelemente abdecken.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Verdichtervorrichtung (100), insbesondere eines Turboladers, zum Verdichten eines durch einen Strömungskanal (110) der Verdichtervorrichtung (100) strömenden Mediums, umfassend die Schritte:

    Einwirken auf mindestens ein Leitelement (120–1 ...–4) in dem Strömungskanal (110), insbesondere zwecks Beeinflussung des Drallwinkels des strömenden Mediums;

    dadurch gekennzeichnet, dass

    mit der Einwirkung auf das Leitelement (120–1 ...–4) auch eine lokale Veränderung einer Strömungsquerschnittsfläche (Sq–1 ...–4) realisierbar wird, durch welche das Medium innerhalb des Strömungskanals (110) strömt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtervorrichtung (100) bei einer Brennkraftmaschine (300) zur Steuerung oder Regelung des Ladedruckes (LD) verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine (300), der sich durch eine negative Lastdynamik auszeichnet und währenddessen ein Bypassventil (600) der Brennkraftmaschine (300) im Wesentlichen permanent geöffnet ist, der Ladedruck (LD) gemäß einem vorgegebenen zeitlichen Sollladedruckverlauf (SLD) reduziert wird, indem durch geeignete Einwirkung auf das Leitelement (120–1 ...–4) eine Drosselwirkung in Form einer Verringerung der Strömungsquerschnittsfläche realisiert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Betriebsmodus der Brennkraftmaschine, bei dem eine Aufladung erfolgt, eine dann stattfindende Steuerung oder Regelung des Ladedruckes (LD) über ein Bypassventil (600) der Brennkraftmaschine (300) durch ein zusätzlich stattfindendes geeignetes Einwirken auf das Leitelement (120–1 ...–4) der Verdichtervorrichtung (100) unterstützt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einwirkung auf die Leitelemente (120–1 ...–4) ein für einen jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine optimaler Drallwinkel des strömenden Mediums eingestellt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils optimale Drallwinkel unter Berücksichtigung des Luftmassenstromes und des Druckverhältnisses stromaufwärts zu stromabwärts der Verdichtervorrichtung (100) oder umgekehrt vorzugsweise aus einem Kennfeld (KD) ermittelt wird.
  13. Computerprogramm mit Programmcode für eine Verdichtervorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Programmcode ausgebildet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 12.
  14. Datenträger gekennzeichnet durch das Computerprogramm nach Anspruch 13.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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