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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Ein
derartiger Abgasturbolader wird in der Druckschrift
DE 197 52 534 C1 beschrieben.
Der Abgasturbolader umfasst einen im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine
angeordneten Verdichter, der über
eine Welle mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine gelagerten
Abgasturbine verbunden ist, welche von den unter erhöhtem Abgasgegendruck
stehenden Abgasen der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Der Verdichter saugt
daraufhin Umgebungsluft an und verdichtet diese auf einen erhöhten Ladedruck,
unter dem die Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Die
Abgasturbine ist mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet,
welche es erlaubt, den Strömungseintrittsquerschnitt
in der Turbine zum Turbinenrad hin variabel einzustellen. Damit
wird die Möglichkeit eröffnet, sowohl
im Motorbremsbetrieb als auch in der befeuerten Antriebsbetriebsweise
ein breiteres Leistungsspektrum zur Erzeugung von Motorbremsleistung
bzw. von Antriebsleistung abzudecken. Im Motorbremsbetrieb wird
hierbei die variable Turbinengeometrie in eine den Strömungseintrittsquerschnitt
reduzierende Staustellung überführt, wodurch
der Abgasgegendruck erhöht
wird und die Kolben der Brennkraftmaschine zusätzliche Verdichterarbeit gegen
den Abgasgegendruck leisten müssen.
In der befeuerten Antriebsbetriebsweise wird üblicherweise die variable Turbinengeometrie
in eine den Strömungseintrittsquerschnitt
erweiternde Offenstellung überführt, in
welcher ein maximaler Abgasdurchsatz durch die Abgasturbine ermöglicht ist.
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Die
variable Turbinengeometrie ist als im Strömungseintrittsquerschnitt angeordnetes
Leitgitter mit daran schwenkbar befestigten Leitschaufeln ausgeführt, wobei
die Leitschaufeln sich über
den Umfang des Leitgitters erstrecken und jeweils eine parallel
zur Laderdrehachse verlaufende Schwenkachse aufweisen. In Staustellung
werden die Leitschaufeln in eine Position verschwenkt, in welcher
lediglich ein minimaler Strömungsquerschnitt
zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln freigegeben ist. In Öffnungsstellung
ist dieser Strömungsweg
zwischen benachbarten Leitschaufeln dagegen maximal.
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Bei
derartigen Leitgittern kann das Problem auftreten, dass im Motorbremsbetrieb
auf Grund des hohen Abgasgegendruckes sowie des reduzierten Strömungsquerschnittes
zwischen benachbarten Leitschaufeln Verdichtungsstöße im Überschallbereich
auftreten können,
welche auf das Turbinenrad auftreffen und zu einer Zerstörung der
Turbinenradschaufeln führen
können.
Man ist daher bestrebt, Verdichtungsstöße im auf das Turbinenrad einströmenden Abgas
abzuschwächen,
ohne jedoch die Motorbremswirkung zu beeinträchtigen, die einen engen Strömungseintrittsquerschnitt
voraussetzt. Derartige Verdichtungsstöße können zwar durch einen verhältnismäßig großen Abstand
zwischen Leitgitter und Turbinenrad reduziert werden; jedoch führt dies
zu einer großen
Bauweise, die auf Grund der engen Platzverhältnisse im Motorraum bzw. der
Brennkraftmaschine üblicherweise
nicht realisiert werden kann.
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Aus
der Dissertation „Strömungssimulation
zur optimierten Gestaltung von Turbomaschinenkomponenten” von A.
W. Reichert, Duisburg, 1994, ist es bekannt, für groß bauende, stationäre Turbomaschinen
einen das Turbinenrad radial umgreifenden Leit gitterring mit Leitschaufeln
vorzusehen, welche auf der innen liegenden Seite eine Strömungskante
aufweisen, die zu einer mehrfachen Reflektion des Verdichtungsstoßes des
eintretenden gasförmigen
Mediums führen,
wodurch der Verdichtungsstoß abgeschwächt wird.
Eine Anwendung auf klein bauende Abgasturbolader ist jedoch in dieser
Dissertation nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 195 43 190
A1 ist bekannt, den kleinsten Spalt zwischen zwei benachbarten
Leitschaufeln zur Erzeugung einer Staustellung durch das Einschieben
eines Sperrkörpers
oder durch eine variable Turbinengeometrie zu realisieren. Eine
Berechnung eines kleinsten Abstandes zwischen zwei benachbarten
Leitschaufeln in Staustellung erfolgt nicht.
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Die
DE 42 32 400 C1 zeigt
und beschreibt die Möglichkeit
mittels einer einschiebbaren Verstellhülse in einen verstellbaren
Strömungsleitapparat
den Strömungsquerschnitt
zu minimieren und so die Motorbremsleistung einer Abgasturbine bereitzustellen.
Eine Berechnung eines kleinsten Abstandes zwischen zwei benachbarten
Leitschaufeln in Staustellung erfolgt nicht.
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Die
1 bis
26 der
EP 07 19 944 A2 zeigen die Berechnung zur
Steuerung von Diffusorflügeln
einer Turbomaschine. Eine Berechnung eines kleinsten Abstandes zwischen
zwei benachbarten Leitschaufeln in Staustellung erfolgt ebenfalls
nicht.
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Die
US 56 16 000 A zeigt
die Ermittlung eines Leitschaufelprofils zur Optimierung der Drehmomentumsetzung
in einer Abgasturbine. Eine Berechnung eines kleinsten Abstandes
zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln in Staustellung erfolgt
ebenfalls nicht.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen klein bauenden Abgasturbolader
mit variabler Turbinengeometrie für eine Brennkraftmaschine zu
schaffen, der sich durch eine lange Lebensdauer auszeichnet und
zur Erzeugung hoher Motorbremsleistungen geeignet ist. Es sollen
insbesondere ohne Schmälerung
der Motorbremsleistung die auf das Turbinenrad auftreffenden Verdichtungsstöße reduziert
werden.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche
geben zweckmäßige Weiterbildungen
an.
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Auf
der radial innen liegenden Seite jeder Leitschaufel ist eine Strömungskante
mit vorteilhaft konvexem Strömungsprofil
angeordnet, wobei der Winkel der Strömungskante einer vorgegebenen
Funktion in Abhängigkeit
des Isentropenexponenten sowie einer mittleren Machzahl im Bereich
der Leitschaufel-Hinterkante folgt. Die Strömungskante liegt bevorzugt
im Bereich des engsten Querschnittes bzw. kleinsten Abstandes zwischen
zwei benachbarten Leitschaufeln und verbessert die Strömungsverhältnisse
durch das Leitgitter, wobei insbesondere stromab der Strömungskante
eine Expansion der Strömung
in den Überschallbereich
hinein stattfindet. Eine derartige Strömungskante bei klein bauenden
Abgasturboladern vorzusehen, stellt eine signifikante Verbesserung
des Strömungsverhaltens
des zwischen benachbarten Leitschaufeln durchströmenden Abgases dar. Verdichtungsstöße im Überschallbereich
werden auf Grund der besonderen Profilierung der Leitgitter zwischen
benachbarten Leitschaufeln ein- oder mehrfach an den Leitschaufelseiten
reflektiert, was zu einer Stoßabschwächung und
einer entsprechend geringeren Belastung des Turbinenrades führt. Insbesondere
für den
Fall, dass jeweils zwei benachbarte Leitschaufeln sich zumindest
in Stauposition über
den Umfang des Leitgitterringes gesehen abschnittsweise überdecken,
entsteht beim Eintritt des Abgases in den Strömungsquerschnitt zwischen benachbarten
Leitschaufeln zunächst
ein nach außen
gerichteter Verdichtungsstoß ausgehend
von der Hinterkante der inneren Leitschaufel, der anschließend am
innen liegenden Bereich der äußeren Leitschaufel
reflektiert wird und nach innen in Richtung Turbinenrad gerichtet
ist. Durch die Reflektion des Verdichtungsstoßes wird dieser bis zum Auftreffen
auf das Turbinenrad erheblich abgeschwächt und die Gefahr eines Schaufelradbruches
reduziert.
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Der
geringste Abstand zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln, welche
sich in Stauposition befinden, beträgt nicht mehr als 50% des Durchmessers
des Turbinenrades, dividiert durch die Anzahl an über den Umfang
des Leitgitterringes verteilten Leitschaufeln. Diese Beziehung trägt dem Erfordernis
Rechnung, einen möglichst
kleinen Strömungsquerschnitt
zum Turbinenrad in Stauposition der variablen Turbinengeometrie einzustellen,
was für
die Erzeugung hoher Bremsleistungen im Motorbremsbetrieb Voraussetzung
ist.
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Die
genannte Beziehung schafft einen Zusammenhang zwischen dem kleinsten
Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln in Stauposition, dem
Turbinenraddurchmesser im Bereich des Strömungseintrittsquerschnittes
für das
Abgas sowie der Anzahl der Leitschaufeln des Leitgitterringes. Man
erhält
dadurch eine Dimensionierungsregel für den Abstand zwischen benachbarten
Leitschaufeln unter Berücksichtigung
des konstruktiven Erfordernisses, einen klein bauenden Lader zu
schaffen.
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Der
kleinste Abstand beträgt
in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung nicht mehr als 30%
des Turbinenraddurchmessers dividiert durch die Anzahl an Leitschaufeln,
wobei selbstverständlich
auch Werte zwischen 30% und 50%, gegebenenfalls auch weniger als
30%, oder auch exakt 30% bzw. exakt 50% in Frage kommen.
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In
bevorzugter Weiterbildung kann als weitere Dimensionierungsregel
die Dicke der Hinterkante einer Leitschaufel auf mindestens 20%
des kleinsten Abstandes zwischen den Leitschaufeln in Stauposition
gesetzt werden. Dieser Wert für
die Hinterkantendicke jeder Leitschaufel ist einerseits klein genug,
um hohe Strömungsgeschwindigkeiten,
insbesondere im Bereich der Umströmung der Hinterkante, sowie
Ablösungen
an der Hinterkante zu vermeiden und andererseits groß genug,
um eine ausreichende Materialstabilität zu gewährleisten, um den hohen mechanischen
und thermischen Belastungen im Motorbremsbetrieb standhalten zu
können.
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Als
weitere Dimensionierungsregel insbesondere zur Auslegung eines klein
bauenden Laders kann in zweckmäßiger Weiterbildung
der Abstand zwischen der Hinterkante einer Leitschaufel und dem
Umfang des Turbinenrades, bezogen auf den Durchmesser des Turbinenrades,
kleiner oder gleich 10% gewählt
werden, insbesondere kleiner oder gleich 5%, wobei es sowohl Zwischenwerte
zwischen 5% und 10% als auch Werte kleiner als 5% oder exakt 5%
bzw. 10% in Betracht kommen. Diese Dimensionierung reduziert den
Spalt zwischen Umfang des Turbinenrades im Bereich des Strömungseintrittsquerschnittes
und Leitgitter auf ein Minimum, wodurch eine besonders kompakte
Bauform erreicht wird.
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Das
Leitgitter mit den Leitschaufeln, welches die variable Turbinengeometrie
bildet, ist zweckmäßig entweder
als axial in den Strömungseintrittsquerschnitt
einfahrbares Gitter mit fest stehenden Leitschaufeln oder als fest
im Strömungseintrittsquerschnitt
befindliches Gitter mit drehbeweglichen Leitschaufeln ausgeführt. Gegebenenfalls
kommen aber auch weitere konstruktive Ausgestaltungen in Betracht.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
dessen Abgasturbine mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet
ist, welche als in den 2 und 3 dargestellter
Leitgitterring mit Leitschaufeln ausgeführt ist,
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2 einen
Ausschnitt aus dem Leitgitterring der variablen Turbinengeometrie
mit zwei Leitschaufeln, dargestellt in Stauposition (durchgezogene
Linie) und Öffnungsposition
(gestrichelte Linie),
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3 eine
Ausschnittvergrößerung der
Darstellung nach 2 aus dem Bereich des engsten
Strömungsquerschnittes
zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln, dargestellt in Stauposition.
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Der
in 1 dargestellten Brennkraftmaschine – ein Ottomotor
oder ein Dieselmotor – ist
ein Abgasturbolader 2 mit einer Abgasturbine 3 im
Abgasstrang 4 und einem Verdichter 5 im Ansaugtrakt 6 zugeordnet. Die
Abgasturbine 3 wird von den unter Überdruck stehenden Abgasen
der Brennkraftmaschine angetrieben und überträgt die Drehbewegung ihres Turbinenrades
mittels einer Welle 7 auf den Verdichter 5, der
Umgebungsluft unter Atmosphärendruck
ansaugt und auf einen erhöhten
Ladedruck verdichtet.
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Die
verdichtete Luft wird zunächst
in einem Ladeluftkühler 9 gekühlt und
anschließend
als Ladeluft den Zylindereinlässen
der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Abgasseitig wird das entspannte
Abgas nach dem Durchströmen
der Abgasturbine 3 zunächst
einer Reinigung unterzogen und schließlich in die Atmosphäre abgeleitet.
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Die
Abgasturbine 3 ist mit einer variablen Turbinengeometrie 8 versehen,
welche eine veränderliche Einstellung
des Strömungseintrittsquerschnittes
in der Abgasturbine zum Turbinenrad ermöglicht. Die Einstellung der
variablen Turbinengeometrie erfolgt in Abhängigkeit von Zustands- und
Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine sowie der zugeordneten Aggregate. Die variable
Turbinengeometrie kann zwischen einer den Strömungseintrittsquerschnitt minimal öffnenden
Stauposition und einer den Strömungseintrittsquerschnitt maximierenden Öffnungsposition
verstellt werden. Die Stauposition wird insbesondere im Motorbremsbetrieb der
Brennkraftmaschine eingenommen, um einen möglichst hohen Abgasgegendruck
zu erzeugen, welcher der Ausschubarbeit der Zylinder der Brennkraftmaschine
entgegenwirkt. Die maximale Öffnungsposition
wird insbesondere in der befeuerten Antriebsbetriebsweise bei hoher
Last bzw. Drehzahl eingenommen.
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Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasrückführungseinrichtung 10 zugeordnet,
welche eine Rückführleitung 11 zwischen
dem Abgasstrang 4 und dem Ansaugtrakt 6 sowie
ein einstellbares Rückführventil 12 und
einen Kühler 13 umfasst.
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Sämtliche
Aggregate werden in Abhängigkeit
der Zustands- und. Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine über
eine Regel- und Steuereinheit 14 eingestellt; insbesondere
die variable Turbinengeometrie 8 sowie das Rückführventil 12 in
der Abgasrückführungseinrichtung 10 werden über die
Regel- und Steuereinheit 14 eingestellt.
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Die
variable Turbinengeometrie 8 ist als verstellbares Leitgitter
ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel für ein derartiges
Leitgitter ist in den 2 und 3 dargestellt.
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Gemäß 2 besteht
die variable Turbinengeometrie aus einem Leitgitter 15,
welches über
den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Leitschaufeln 16a, 16b aufweist,
wobei vorteilhaft insgesamt neun Leitschaufeln, gegebenenfalls aber
auch eine hiervon abweichende Anzahl an Leitschaufeln vorgesehen
sein können. Das
Leitgitter 15 mit den Leitschaufeln ist als Leitgitterring
ausgeführt
und umgreift radial ein Turbinenrad 18 der Abgasturbine.
Zwischen Turbinenrad 18 und Leitgitter 15 ist
ein Strömungseintrittsquerschnitt 17 gebildet, über den
das radial durch die Strömungswege
zwischen benachbarten Leitschaufeln 16a, 16b einströmendes Abgas
auf die Turbinenschaufeln des Turbinenrades 18 trifft.
Der maximale Durchmesser des Turbinenrades im Bereich des Strömungseintrittsquerschnittes
ist mit DTR bezeichnet.
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Die
Leitschaufeln 16 sind vorteilhaft über Stellwellen 19 verstellbar
an dem Leitgitter 15 gehalten. Die Stellwellen 19 ermöglichen
eine relative Schwenkbewegung gegenüber dem Leitgitter 15,
wodurch die Winkellage der Leitschaufeln 16 zwischen der
mit durchgezogener Linie dargestellten Stauposition und der mit
gestrichelter Linie dargestellten Öffnungsposition einstellbar
ist. In der Stauposition – die
in vergrößerter Darstellung
auch in 3 gezeigt ist – ist der
Abstand und damit auch der Strömungsweg
zwischen benachbarten Leitschaufeln 16 minimal; er ist
mit bmin bezeichnet. Der kleinste Abstand
bmin zwischen benachbarten Leitschaufeln
in Stauposition liegt beispielsweise in der Größenordnung von 2.5 bis 3 mm.
In der Öffnungsposition ist
der Abstand zwischen benachbarten Leitschaufeln maximal, er ist
mit bmax bezeichnet.
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Der
kleinste Abstand bmin in Stauposition der
Leitschaufeln kann in Abhängigkeit
des Durchmessers DTR des Turbinenrades sowie
der Anzahl z der Leitschaufeln des Leitgitterringes gemäß der Beziehung bmin ≤ 0.5 DTR/zgewählt werden,
d. h. dass der kleinste Abstand bmin kleiner
ist als oder gleich groß ist
wie 50% des Turbinenrad-Durchmessers DTR,
dividiert durch die Anzahl z der Leitschaufeln. Gegebenenfalls kann
der kleinste Abstand bmin auch kleiner sein
als oder gleich groß sein
wie 30% des Durchmessers des Turbinenrades, dividiert durch die
Anzahl der Leitschaufeln.
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Als
weitere Dimensionierungsregel kann der doppelte Abstand zwischen
der Hinterkante 20 jeder Leitschaufel 16 und der
Laderachse, bezeichnet mit DHK, gemäß der Beziehung DHK ≤ 1.1 DTR festgelegt
werden, wobei der Abstand DHK sich auf die
Stauposition der Leitschaufeln 16 bezieht. Gemäß dieser
Beziehung ist der Abstand zwischen Hinterkante jeder Leitschaufel
in Stauposition und Umfang des Turbinenrades im Bereich des Strömungseintrittsquerschnittes
kleiner als oder gleich groß wie
10% des Turbinenrad-Durchmessers DTR im
Bereich des Strömungseintrittsquerschnittes.
Gegebenenfalls kommt auch ein Wert kleiner gleich 5% des Turbinenrad-Durchmessers
in Betracht.
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Wie 3 zu
entnehmen, kann die Hinterkante 20 jeder Leitschaufel 16 einseitig
abgeschrägt
sein, wobei die Abschrägung
mit einem Strömungsvektor
durch den Strömungsweg
zwischen benachbarten Leitschaufeln 16 einen Winkel kleiner
als 90° ein schließt. Die
einseitige Abschrägung
der Hinterkante 20 begrenzt die bei der Umströmung der
Hinterkante erzielte maximale Machzahl der Strömung und verhindert Ablösungen an
der Hinterkante.
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Die
Hinterkantendicke dHK beträgt zweckmäßig zumindest
20% des kleinsten Abstandes bmin zwischen den
Leitschaufeln 16 in Stauposition.
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Die
Leitschaufeln weisen vorteilhaft sowohl in Stauposition als auch
in Öffnungsposition
in Umfangsrichtung einen sich gegenseitig überdeckenden Bereich auf, in
welchem der Strömungsweg
zwischen dem Endabschnitt der radial innen liegenden Leitschaufel
und dem vorderen Abschnitt der unmittelbar benachbarten, radial
außen
liegenden Leitschaufel liegt. Im Bereich des engsten Querschnittes
b
min des Strömungswegs zwischen benachbarten
Leitschaufeln ist vorteilhaft eine Strömungskante
21 auf
der Innenseite der radial außen liegenden
Leitschaufel gebildet, wobei die Strömungskante
21 ein
konvexes, jedoch geradliniges Strömungsprofil besitzt und einen
Winkel α einschließt, der
der Beziehung
folgt.
M bezeichnet hierin eine mittlere Machzahl – beispielsweise auf den Wert
2 gesetzt – im
Bereich der Leitschaufel-Hinterkante
21 und κ den Isentropenexponenten.
Die genannte Beziehung für
den Winkel der Strömungskante
kann gegebenenfalls auch unabhängig
von den weiteren vorgenannten Geometriebeziehungen zur Auslegung
von Leitgittern in Abgasturboladern für Brennkraftmaschinen herangezogen
werden.
