Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdichter in einem Ab¬ gasturbolader für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbe¬ griff des Anspruches 1.

Die Druckschrift DE 100 61 847 Al offenbart einen Abgasturbo¬ lader mit einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Ver¬ dichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Dem Verdich¬ terrad im Einlasskanal des Verdichters ist ein separat ausge¬ bildetes Vorsatzläuferrad vorgelagert, welches sich in Strö¬ mungsrichtung der herangeführten Verbrennungsluft stromauf des Verdichterrades befindet. Das Vorsatzläuferrad hat die Funktion, das Betriebsverhalten des Verdichters günstig zu beeinflussen, indem die Pumpgrenze und die Stopfgrenze des Verdichters zugunsten eines erweiterten Betriebskennfeldes verschoben werden. Das Vorsatzläuferrad läuft unabhängig vom Verdichterrad um und wird von einem Elektromotor angetrieben.

Eine Kopplung zwischen einem Sperrorgan zur Einstellung des freien Strömungsquerschnittes im Verdichtereinlasskanal und dem Verdichterrad wird in der Druckschrift DE 103 10 650 Al beschrieben. Das Sperrorgan ist Träger eines Stators eines Elektromotors, ein dazugehörender Rotor ist fest mit dem Ver¬ dichterrad des Verdichters verbunden. Das Sperrorgan ist axi- al im Verdichtereinlasskanal verschiebbar, wobei in einer dem Verdichterrad angenäherten Position der Stator und der Rotor ihre Funktionsstellung einnehmen, in der zusätzliche An¬ triebsenergie in das Verdichterrad eingespeist wird. Auf die¬ se Weise ist es möglich, insbesondere bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine, bei denen nur ein ge¬ ringer Abgasdruck für den Antrieb der Turbine des Abgasturbo- laders zur Verfügung steht, die Laderdrehzahl auf einem er¬ höhten Niveau zu halten. Voraussetzung ist allerdings die Einleitung elektrischer Antriebsenergie.

In der DE 199 55 508 Cl wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, dessen Verdichter einen zu¬ sätzlichen Strömungskanal parallel zum Verdichtereinlasskanal aufweist, wobei der zusätzliche Strömungskanal radial auf die Verdichterradschaufeln mündet. Dies ermöglicht eine Heranfüh¬ rung von Strömungsluft über den Zusatzkanal auf die radiale Außenseite der Verdichterradschaufeln, sodass diesen in Be- triebszuständen der Brennkraftmaschine, bei denen an den Zy¬ lindereingängen ein Unterdruck herrscht, ein antreibender Drehimpuls versetzt werden kann. Der in diesen Betriebszu- ständen herrschende Druckabfall über dem Verdichter wird so¬ mit für einen Antrieb des Verdichterrades ausgenutzt, der Verdichter wird im so genannten Kaltluft-Turbinenbetrieb ge¬ fahren, wodurch die Laderdrehzahl des Abgasturboladers in al¬ len Betriebsbereichen auf einem erhöhten Niveau aufrechter¬ halten werden kann.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen die Laderdrehzahl im Abgasturbolader in allen Betriebsberei¬ chen der Brennkraftmaschine auf einem hohen Niveau zu halten. Dies soll zweckmäßig ohne Einspeisung zusätzlicher Antriebs¬ energie erfolgen. Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Wei¬ terbildungen an.

Das Vorsatzläuferrad ist axial zwischen einer Kopplungsstel¬ lung mit dem Verdichterrad und einer Entkopplungsstellung zu verschieben, wobei in Kopplungsstellung Verdichterrad und Vorsatzläuferrad über eine Magnetkupplung berührungslos dreh¬ verbunden sind und in Entkopplungsstellung Verdichterrad und Vorsatzläuferrad in Drehrichtung unabhängig voneinander sind. Diese Konfiguration weist mehrere Vorteile auf: Zum einen kann der Verdichter in Kopplungsstellung zwischen Verdichter¬ rad und Vorsatzläuferrad bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine im Kaltluft-Turbinenbetrieb gefahren werden, in welchem der Druckabfall über dem Verdichter für einen Antrieb des Laders ausgenutzt wird. Das Vorsatzläufer¬ rad übernimmt eine Turbinenfunktion und kann speziell an die Strömungsbedingungen des Turbinenbetriebes angepasst werden, wohingegen am Verdichterrad keine konstruktiven Änderungen erforderlich sind, um den KaItluft-Turbinenbetrieb zu ermög¬ lichen. Die Kopplungsstellung zwischen Verdichterrad und Vor¬ satzläuferrad wird bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine eingenommen, sodass die Verbrennungsluft durch den Druckabfall, welcher über dem Verdichter herrscht, angesaugt wird und das als Turbinenrad ausgebildete Vorsatz¬ läuferrad antreibt. Über die magnetische Kopplung zwischen dem Vorsatzläuferrad und dem Verdichterrad wird der Antrieb des Vorsatzläuferrades auch auf das Verdichterrad und damit auf die Laderwelle übertragen.

Die Magnetkupplung zwischen Verdichterrad und Vorsatzläufer¬ rad, welche nur bei angenähertem Vorsatzläuferrad wirksam ist, arbeitet berührungslos und verschleißfrei, wodurch die Lebensdauer erhöht und Reibungsverluste ausgeschlossen sind. Es kann insbesondere die Überführungsbewegung zwischen Kopp¬ lungsstellung und Entkopplungsstellung reibungsfrei durchge¬ führt werden.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass je nach Annähe¬ rungsgrad zwischen Vorsatzläuferrad und Verdichterrad eine unterschiedlich starke magnetische Kopplung zwischen diesen beiden drehbaren Bauteilen erreicht wird, die eine entspre¬ chend unterschiedlich starke Drehkopplung zur Folge hat. In der Kopplungsstellung besteht die maximale Drehkopplung zwi¬ schen Vorsatzläuferrad und Verdichterrad, insbesondere läuft das Vorsatzläuferrad drehfest mit dem Verdichterrad um. In Zwischenpositionen zwischen Kopplungsstellung und Entkopp¬ lungsstellung ist dagegen die Drehkopplung weniger stark aus¬ geprägt, sodass Relativ-Drehbewegungen zwischen Vorsatzläu¬ ferrad und Verdichterrad grundsätzlich möglich sind. Auf die¬ se Weise kann in Abhängigkeit von der axialen Stellposition des Vorsatzläuferrades der Beitrag des Vorsatzläuferrades zur Drehzahlanhebung bzw. -aufrechterhaltung veränderlich einge¬ stellt werden.

Bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine steht das Vor¬ satzläuferrad zweckmäßig in Kopplungsstellung mit dem Ver¬ dichterrad, wobei mit zunehmender Last- und Drehzahl der Brennkraftmaschine das Vorsatzläuferrad in Richtung Entkopp¬ lungsstellung verschoben wird und dementsprechend vom Vor¬ satzläuferrad ein immer geringer werdender Anteil an An¬ triebsleistung für die Rotation des Verdichterrades aufge¬ bracht wird. Dieser kleiner werdende Anteil geht einher mit einer zunehmenden Verdichtungsleistung des Verdichterrades . Insgesamt sind stetige Übergänge bei der Überführung des Vor¬ satzläuferrades zwischen Kopplungsstellung und Entkopplungs¬ stellung realisierbar.

Zweckmäßig ist auch die Anströmgeometrie des Vorsatzläuferra¬ des durch die axiale Verstellung des Vorsatzläuferrades zu verändern. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert wer¬ den, dass im Anströmbereich des Vorsatzläuferrades ein Leit¬ gitter angeordnet ist und der wirksame Strδmungsquerschnitt durch das Leitgitter in Abhängigkeit von der axialen Position des Vorsatzläuferrades verändert wird.

Die magnetische Kopplung wird mittels einer Magnetkupplung erzeugt, die vorteilhafterweise zwei in Kopplungsstellung zu¬ sammenwirkende Kupplungsteile umfasst, die jeweils fest mit dem Verdichterrad bzw. dem Vorsatzläuferrad verbunden sind. Bei diesen beiden Kupplungsteilen handelt es sich vorzugswei¬ se um mindestens einen Permanentmagneten, welcher beispiels¬ weise als Zylinder ausgebildet ist und in ein ringförmiges Gegenstück eingreifen kann. Dieses ringförmige Gegenstück kann magnetisch leitfähige Wicklungen aufweisen, aus magne¬ tisch leitfähigen, zu Paketen gestapelten Platten bestehen oder ebenfalls als Permanentmagnet ausgeführt sein.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weite¬ ren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei der Verdichter im Abgas- turbolader zusätzlich zum Verdichterrad ein axial verstellbares Vorsatzläuferrad aufweist, Fig. 2 einen Schnitt durch den Verdichter mit dem Vorsatz- läuferrad in Entkopplungsstellung,

Fig. 3 das Vorsatzläuferrad in einer angenäherten Position an das Verdichterrad (Kopplungsstellung) und das Leitgitter in seiner den Querschnitt minimierenden Staustellung.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszei¬ chen versehen.

Der in Fig. 1 gezeigten Brennkraftmaschine 1 - ein Ottomotor oder eine Dieselbrennkraftmaschine - ist ein Abgasturbolader 2 zugeordnet, der eine Abgasturbine 3 im Abgasstrang 4 sowie einen Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 umfasst. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Abgasturbine 3 von den unter Druck stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Drehung des Turbinenrades wird über eine Welle 9 auf das Verdichterrad 8 im Verdichter 5 übertragen, in welchem aus der Umgebung herangeführte Verbrennungsluft auf einen erhöh¬ ten Ladedruck verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird im Ansaugtrakt 6 zunächst in einem Ladeluftkühler 13 gekühlt und anschließend unter Ladedruck den Zylindern der Brennkraftma¬ schine zugeführt.

Die Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 7 zur veränderlichen Einstellung des wirksamen Turbinenein¬ trittsquerschnittes ausgestattet. Mithilfe der variablen Tur¬ binengeometrie 7 kann das Verhalten der Abgasturbine sowohl in der befeuerten Antriebsbetriebsweise als auch im Motor¬ bremsbetrieb verbessert werden.

Der Verdichter 5 des Abgasturboladers 2 weist zusätzlich zu dem Verdichterrad 8 ein axial vorgelagertes Vorsatzläuferrad 10 auf. Das Vorsatzläuferrad 10 ist axial verschieblich im Verdichter 5 angeordnet. Das Vorsatzläuferrad 10 wird von ei¬ nem Stellglied 11 beaufschlagt und kann eine mit dem Pfeil 12 dargestellte axiale Stellbewegung ausführen. Hierbei ist das Vorsatzläuferrad 10 zwischen einer Kopplungsstellung, in wel¬ cher Vorsatzläuferrad und Verdichterrad drehgekoppelt sind, und einer Entkopplungsstellung zu verstellen, in welcher das Verdichterrad 8 unabhängig vom Vorsatzläuferrad 10 umlaufen kann.

Des Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführ- einrichtung 14 zugeordnet, welche eine Rückführleitung 15 zwischen dem Abgasstrang 4 stromauf der Abgasturbine 3 und dem Ansaugtrakt 6 stromab des Ladeluftkühlers 13 umfasst. In der Rückführleitung 15 ist ein einstellbares Rückführventil 16 sowie ein Abgaskühler 17 angeordnet . Über die Abgasrück- führeinrichtung 14 wird insbesondere im Teillastbetrieb ein Teil des Abgasmassenstromes in den Ansaugtrakt rückgeführt, wodurch die NOx-Emissionen der Brennkraftmaschine reduziert werden können.

Sämtliche einstellbaren Aggregate der Brennkraftmaschine sind über Steuer- und Stellsignale einer Regel- und Steuereinheit 18 in Abhängigkeit von Zustands- und Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine sowie der Aggregate einzustellen. Dies be¬ trifft insbesondere die variable Turbinengeometrie 7, das Stellglied 11 im Verdichter 5 sowie das Rückführventil 16 in der Abgasrückführeinrichtung 14.

Wie der Schnittdarstellung nach Fig. 2 zu entnehmen, ist dem Verdichterrad 8 im Verdichtereinlasskanal 19 das Vorsatzläu¬ ferrad 10 axial vorgelagert, welches axial verschieblich gehalten ist. Hierfür ist das Vorsatzläuferrad 10 mit dem Stellglied 11 gekoppelt, das gemäß Pfeil 12 axial verschoben werden kann. Das Vorsatzläuferrad 10 ist aus der in Fig. 2 dargestellten Entkopplungsstellung in die in Fig. 3 gezeigte Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 zu verschieben, in welcher das Verdichterrad 8 und das Vorsatzläuferrad 10 dreh¬ gekoppelt, insbesondere drehfest miteinander verbunden sind. Die Kopplung wird mithilfe einer Magnetkupplung 26 herge¬ stellt, welche zwischen Vorsatzläuferrad 10 und Verdichterrad 8 wirkt und zwei Kupplungsteile 27 und 28 umfasst, von denen das erste Kupplungsteil 27 drehfest mit dem Verdichterrad 8 und das zweite Kupplungsteil 28 drehfest mit dem Vorsatzläu¬ ferrad 10 verbunden ist. Das erste Kupplungsteil 27 ist rota¬ tionssymmetrisch, insbesondere zylindrisch ausgebildet und erstreckt sich axial an der Stirnseite 29 des Verdichterrades 8. Das zweite Kupplungsteil 28 ist ringförmig ausgebildet und liegt an der zugewandten Stirnseite des Vorsatzläuferrades 10. In maximal angenäherter Position des Vorsatzläuferrades 10 an das Verdichterrad 8 - der in Fig. 3 gezeigten Kopp¬ lungsstellung - greift das zylindrische Kupplungsteil 27 vollständig in das ringförmige Kupplungsteil 28 ein, wohinge¬ gen in der Entkopplungsstellung nach Fig. 2 die Kupplungstei¬ le 27 und 28 in Außereingriff stehen. Zwischen der Kopplungs¬ stellung und der Entkopplungsstellung sind beliebige Zwi¬ schenpositionen möglich.

Die Magnetkupplung 26 erzeugt in Kopplungsstellung einen mag¬ netischen KraftSchluss zwischen den Kupplungsteilen 27 und 28 bzw. dem Verdichterrad 8 und dem Vorsatzläuferrad 10. Der Kraftschluss wird reibungs- und verschleißfrei erzeugt, da die Kupplungsteile sich in EingriffStellung nicht berühren. Der Kraftschluss bewirkt eine Drehkopplung zwischen dem Ver¬ dichterrad 8 und dem Vorsatzläuferrad 10, wobei die Drehkopp¬ lung zwar grundsätzlich drehfest erfolgen kann, so dass Ver¬ dichterrad 8 und Vorsatzläuferrad 10 gemeinsam mit gleicher Drehzahl umlaufen. Gegebenenfalls können zwischen Verdichter- rad 8 und Vorsatzläuferrad 10 auch Drehzahldifferenzen auf¬ treten, die aufgrund der berührungslosen Kopplung prinzipiell möglich sind.

Das Kupplungsteil 27, welches fest mit dem Verdichterrad 8 verbunden ist, ist zweckmäßig als Permanentmagnet oder als Kurzschlussläufer ausgebildet. Das zweite Kupplungsteil 28 am Vorsatzläuferrad 10 ist vorteilhaft als Ringmagnet mit einer Mehrzahl von Polpaaren ausgebildet oder weist magnetisch leitfähige Wicklungen oder magnetisch leitfähige, zu Paketen gestapelte Platten auf. Das Magnetfeld zwischen den Kupp¬ lungsteilen 27 und 28, welches das koppelnde Moment zwischen diesen Bauteilen erzeugt, steht im Falle eines Permanentmag¬ neten immer zur Verfügung oder wird im Falle eines Kurz¬ schlussläufers durch die Drehzahldifferenz von Verdichterrad und Vorsatzläuferrad generiert.

Das Vorsatzläuferrad 10 ist nach Art eines Turbinenrades auf¬ gebaut und besitzt radial außen liegende Schaufeln 20, welche die Anstrδmseite des Vorsatzläuferrades markieren. Den Schau¬ feln 20 des Vorsatzläuferrades 10 ist ein radial umgreifendes Leitgitter 21 vorgelagert, welches fest an einem Konturring 22 gehalten ist. Das Leitgitter 21 ist in eine Matrize 23 einfahrbar, welche fest mit dem Stellglied 11 verbunden ist. Der Konturring 22 ist an Führungsbolzen 24, welche sich achs¬ parallel zur Längsachse des Verdichters erstrecken, gehalten, wobei die Führungsbolzen unverlierbar, jedoch relativbeweg¬ lich mit der Matrize 23 gekoppelt sind. Die Führungsbolzen 24 sind von Federelementen 25 umgriffen, welche als Druckfeder ausgebildet sind und sich einenends am Konturring 22 und an- derenends an einem Absatz der Matrize 23 abstützen und den Konturring 22 sowie das Leitgitter 21 in die in Fig. 2 ge¬ zeigte maximale Öffnungsstellung des Leitgitters 21 beauf- schlagen, in der der wirksame Eintrittsquerschnitt durch das Leitgitter einen Maximalwert einnimmt .

In Fig. 2 ist das Vorsatzläuferrad 10 in seiner Entkopplungs¬ position dargestellt, in welcher keine Verbindung mit dem Verdichterrad 8 gegeben ist; das Koppelelement 26 liegt auf Abstand zur Stirnseite des Verdichterrades. Die Entkopplungs¬ position ist gleich bedeutend mit einer Außerfunktionspositi- on, in der die Kupplungsteile 27 und 28 der Magnetkupplung 26 in Außereingriff stehen. Auch das Leitgitter 21 befindet sich in der Entkopplungsstellung in Außerfunktionsposition.

In der Außerfunktionsposition liegt der Konturring 22 mit Ab¬ stand zu einer gehäuseseitigen Kanalwandung 30. Hierdurch wird ein halbaxialer Strömungsweg im Verdichtereinlasskanal freigegeben, über den Verbrennungsluft in Pfeilrichtung 31 unter Umgehung des Leitgitters 21 und des Vorsatzläuferrades 10 der Stirnseite des Verdichterrades 8 direkt zuzuführen ist. Diese Betriebsweise wird bei höheren Motorlasten und Mo¬ tordrehzahlen durchgeführt, in welcher das Verdichterrad 8 über die Welle von dem Turbinenrad der Abgasturbine angetrie¬ ben wird.

Bei niedrigeren Lasten und Drehzahlen wird das Vorsatzläufer¬ rad 10, wie in Fig. 3 dargestellt, in Kopplungsstellung mit dem Verdichterrad 8 verbracht; zugleich wird der Konturring 22 auf Kontakt zur Kanalwandung 30 verstellt, wobei für einen strömungsdichten Abschluss im Konturring 22 ein Dichtring 32 aufgenommen ist, der in unmittelbaren Kontakt zur Kanalwan¬ dung 30 gelangt. Der halbaxiale Strömungsweg ist in diesem Fall geschlossen, so dass die Verbrennungsluft den Weg über das Leitgitter 21 und das Vorsatzläuferrad 10 nehmen muss. Die Matrize 23 und das Vorsatzläuferrad 10 sind von dem Stellglied 11 axial in Pfeilrichtung 12 zu verstellen, wobei das Vorsatzläuferrad 10 gegenüber dem Stellglied 11 sowie dem Leitgitter 21 und den weiteren, damit zusammenhängenden Bau¬ teilen drehbar gelagert ist und frei rotieren kann. Zwischen dem Radrücken des Vorsatzläuferrades 10 und einer Wandung ei¬ nes Gehäuseabschnittes 33, welcher auch Träger der Matrize 23 ist und von dem Stellglied 11 beaufschlagt wird, ist ein schmales Puffervolumen gebildet, welches mit dem Druck des Sammelraums im Verdichtereinlasskanal stromauf des Vorsatz- läuferrades beaufschlagt wird, um ein Heraussaugen von Schmieröl zu verhindern.

Im Leitgitter 21 ist lediglich ein schmaler axialer Spalt freigegeben, durch den Verbrennungsluft hindurchströmt und mit hoher Umfangsgeschwindigkeit auf die Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10 auftrifft. Das Leitgitter 21 ist weit¬ gehend in die Matrize 23 eingeschoben und befindet sich somit in seiner den wirksamen Anstrδmquerschnitt reduzierenden Stauposition. In dieser Stellung herrscht ein starkes Druck¬ gefälle im Verdichtereinlasskanal 19 zwischen dem Bereich stromauf des Leitgitters 21 und dem Bereich stromab der Schaufeln 20 des Vorsatzläuferrades 10. Zweckmäßig beträgt das Druckverhältnis mindestens vier, was bedeutet, dass stromauf des Leitgitters 21 ein mindestens viermal so hoher Druck herrscht wie stromab. Diese Betriebsweise wird auch als Kaltluft-Turbinenbetriebsweise bezeichnet, welche nahe des Motorleerlauf-Drehzahlbereiches eingestellt wird. In der Kaltluft-Turbinenbetriebsweise wird das Druckgefälle über dem Verdichter zum Antrieb des Vorsatzläuferrades 10 ausgenutzt, wobei die Drehbewegung des Vorsatzläuferrades über die Mag¬ netkupplung 26 auf das Verdichterrad 8 übertragen wird. Auf diese Weise wird die Laderdrehzahl auch bei niedrigen Lasten und Drehzahlen der Brennkraftmaschine auf einem erhöhten Ni¬ veau gehalten.