-
Die
Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
-
Der
Zweck eines Abgasturboladers ist es, ungenutzte Energie der Brennkraftmaschine
derart zu nutzen, dass eine Befüllung
der Brennkraftmaschine mit Frischluft gesteigert wird, um dadurch
eine Erhöhung
der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Antriebsenergie erwirken
zu können.
-
Abgasturbolader
weisen hierzu ein von Abgasen und Frischluft durchströmbares Gehäuse -aufteilbar
in einen durchströmbaren
Frischluftführungsabschnitt,
einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt,
sowie einen Lagerabschnitt- und ein im Gehäuse rotierbar gelagertes Laufzeug
auf. Das Laufzeug umfasst ein Turbinenrad sowie ein mit Hilfe einer
Welle drehfest verbundenes Verdichterrad. Das Turbinenrad wird im
Betrieb von Abgas der Brennkraftmaschine angetrieben, so dass das
Verdichterrad ebenfalls in Rotation versetzt wird und Frischluft ansaugen
kann.
-
Die
Drehzahlen von Abgasturboladern erreichen im Betrieb Werte von weit über 250
000 l/min. Im Schadensfall, beispielsweise bei einem Bruch der Welle,
welcher zum Beispiel bei einem Unfall eintreten kann, kann es dabei
zu einer axialen Verschiebung des Turbinenrades im Gehäuse kommen.
Die axiale Verschiebung ist zum Teil zurückzuführen auf einen am Radrücken des
Turbinenrades wirkenden Abgasdruck. Zum anderen ist die axiale Verschiebung
auf die gespeicherte hohe Rotationsenergie, welche eine Folge der
hohen Drehzahlen und der Massenträgheit ist, zurückzuführen. Die
gespeicherte Rotationsenergie bewirkt eine rotierende Bewegung des
Turbinenrades bis zum Stillstand. Aufgrund des Abgasdruckes am Radrücken wird
das Turbinenrad axial in eine von der Welle abgewandte Richtung gedrückt. Dadurch
wird das Turbinenrad aus seiner ursprünglichen Position verschoben,
und zwar in eine Position, in der eine Berührung von dem Gehäuse zugewandte
Enden von Turbinenradschaufeln mit dem Abgasführungsabschnitt stattfindet.
Aufgrund der gespeicherten Rotationsenergie dreht sich das Turbinenrad
so lange bis es zum Stillstand kommt und während dieser Bewegung findet
eine Abrasion an den Enden der Turbinenradschaufeln statt. Somit wird
ein äußerer Durchmesser
des Turbinenrades reduziert. Der äußere Durchmesser des Turbinenrades ist
schließlich
soweit reduziert, dass das Turbinenrad aufgrund seiner gespeicherten
Rotationsenergie und des Abgasdruckes am Radrücken durch einen für das Abgas
vorgesehenen Austrittkanal verschiebbar ist.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es somit, einen Abgasturbolader bereitzustellen,
dessen axiale Verschiebung im Schadensfall begrenzt ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Abgasturbolader mit dem kennzeichnenden
Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
-
Der
erfindungsgemäße Abgasturbolader weist
im Bereich einer Nabenstirnfläche
eines Turbinenrades unter Einhaltung eines Abstandes zur Nabenstirnfläche einen
Prallkörper
im Gehäuse
des Abgasturboladers auf. Mit Hilfe des Prallkörpers ist es möglich im
Schadensfall die axiale Bewegung des Turbinenrades zu begrenzen.
Somit vermindert sich der Schadensfall des Abgasturboladers von
einer totalen Unbrauchbarkeit auf eine Reparatur, so dass Schadenskosten
reduzierbar sind. Mit Hilfe des an der Nabenstirnseite platzierten
Prallkörpers
prallt das Turbinenrad an diesem ab, welcher durch beispielsweise Deformierung
die Aufprallenergie aufnimmt und es somit zu einem Stillstand des
Turbinenrades kommen kann.
-
In
einer Ausgestaltung des Abgasturboladers ist der Abstand zwischen
der Nabenstirnfläche und
dem der Nabenstirnfläche
zugewandt positionierten Ende des Prallkörpers kleiner als die Differenz
einer axialen Einschublänge
eines Dichtelements der Welle und einer maximalen Verschleißlänge des
Turbinenrades. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass aufgrund
des definierten Abstandes eine maximale Verschiebung des Turbinenrades
dahingehend gesichert ist, dass ein Austreten von Öl im Schadensfall
aus dem Bereich einer Wellenlagerung vermeidbar ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung des Abgasturboladers ist der Prallkörper aerodynamisch
ausgebildet. Durch die besondere aerodynamische Form ergibt sich
eine günstige
Wirkung auf die Abgasströmung
am Turbinenrad, so dass sich eine Wirkungsgradsteigerung des Abgasturboladers
durch eine Wirkungsgradsteigerung der Turbine erzielen lassen kann.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung ist eine der Nabenstirnfläche zugewandt
positionierte Endfläche des
Prallkörpers
der Nabenstirnfläche
angepasst ausgebildet, wodurch eine weitere Wirkungsgradsteigerung
erzielbar ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung ist der Prallkörper mit Hilfe eines aerodynamisch
profilierten Trägers
im Gehäuse
stromab des Turbinenrades positioniert, so dass eine Wirkungsgradeinbuße aufgrund eines
in der Abgasströmung
positionierten Trägers reduzierbar
ist.
-
Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sind den Ansprüchen,
der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
-
Dabei
zeigen:
-
1 in
einer schematischen Darstellung eine Brennkraftmaschine mit einem
erfindungsgemäßen Abgasturbolader
und
-
2 in
einem Längsschnitt
den erfindungsgemäßen Abgasturbolader
mit einem Prallkörper.
-
Die
in 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1,
welche als Dieselmotor oder als Ottomotor ausgeführt ist, weist einen Frischluftstrang 2 und
einen Abgastrakt 3 auf. Im Betrieb saugt die Brennkraftmaschine 1 über den
Frischluftstrang 2 Verbrennungsluft an, die nach einer
unter Zufuhr von Kraftstoff erfolgten Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 als Abgas über den
Abgastrakt 3 abgeführt
wird.
-
Der
Frischluftstrang 2 weist eine Ladeluftleitung 4 auf,
welche an ihrem der Brennkraftmaschine 1 zugewandt angeordneten
Ende mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Stromauf
der Brennkraftmaschine 1 ist in der Ladeluftleitung 4 ein
Ladeluftkühler 5 zur
Kühlung
angesaugter Verbrennungsluft angeordnet. Ein nicht näher dargestellter
Verbrennungsluftfilter zum Reinigen der angesaugten Verbrennungsluft
ist an dem anderen Ende der Ladeluftleitung 4 angeordnet,
welches von der Brennkraftmaschine 1 abgewandt positioniert
ist.
-
Der
Abgastrakt 3 umfasst einen mit der Brennkraftmaschine 1 verbundenen
Abgaskrümmer 6,
welchem eine Abgasleitung 7 zugeordnet ist. An einem von
der Brennkraftmaschine 1 abgewandten Ende der Abgasleitung 7 ist
zur Abgasnachbehandlung ein Abgasnachbehandlungssystem 8 angeordnet,
welches in Form eines Rußfilters
und/oder Katalysators ausgebildet ist.
-
Die
Brennkraftmaschine 1 weist ergänzend ein Abgasrückführsystem 9 auf,
dem eine Verbindungsleitung 10 in Form einer Abgasrückführleitung von
der Abgasleitung 7 abzweigend und in die Ladeluftleitung 4 stromab
des Ladeluftkühlers 5 einmündend zugeordnet
ist. In der Abgasrückführleitung 10 ist
zur Kühlung
von rückgeführtem Abgas
ein Abgaskühler 11 angeordnet.
Eine Einstellung einer rückgeführten Abgasmenge
erfolgt mit Hilfe eines Abgasrückführventils 12.
-
Zur
Regelung und Steuerung vieler Funktionen ist der Brennkraftmaschine 1 ein
Regelungs- und Steuerungssystem 13 zugeordnet. Über das
Regelungs- und Steuerungssystem 13 sind insbesondere die
Kraftstoffzufuhr und das Abgasrückführventil 12 regelbar.
-
Des
Weiteren ist der Brennkraftmaschine 1 ein Abgasturbolader 14 zugeordnet,
welcher ein Gehäuse
(15, 16, 17) aufweist, umfassend einen
durchströmbaren
Luftführungsabschnitt 15,
einen durchströmbaren
Abgasführungsabschnitt 16 und
einen Lagerabschnitt 17.
-
Der
in 2 dargestellte Abgasturbolader 14 weist
weiterhin ein Laufzeug 18 auf, welches ein Verdichterrad 19,
ein Turbinenrad 20 sowie eine Welle 21 umfasst,
welche zur drehfesten Verbindung des Verdichterrades 19 mit
dem Turbinenrad 20 vorgesehen ist. Das Verdichterrad 19 ist
im Luftführungsabschnitt 15,
das Turbinenrad 20 ist im Abgasführungsabschnitt 16 und
die Welle 21 ist im Lagerabschnitt 17 drehbar
positioniert.
-
Der
Luftführungsabschnitt 15 ist
im Frischluftstrang 2 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Der
Abgasführungsabschnitt 16 ist
im Abgastrakt 3 der Brennkraftmaschine 1 aufgenommen.
Im Betrieb wird das Turbinenrad 20 vom Abgas der Brennkraft maschine 1 beaufschlagt,
sodass das Laufzeug 18 in eine Rotationsbewegung versetzt
wird. Durch die drehfeste Verbindung des Verdichterrades 19 mit dem
Turbinenrad 20 mit Hilfe der Welle 21, wird das Verdichterrad 19 ebenfalls
in eine Rotationsbewegung versetzt, so dass Frischluft mit Hilfe
des Verdichterrades 19 angesaugt wird, welche im Luftführungsabschnitt 15 verdichtet
wird.
-
Zur
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Abgasturboladers 14 ist
im Abgasführungsabschnitt 16 stromauf
des Turbinenrades 20 eine variable Leitgittergeometrie 22 in
Form einer axial verschiebbaren Hülse vorgesehen. Der Abgasführungsabschnitt 16 weist
zwei asymmetrisch ausgebildete Spiralkanäle auf, einen ersten Spiralkanal 23 und
einen zweiten Spiralkanal 24.
-
Zusätzlich ist
die Abgaszuströmung
zum Turbinenrad 20 mit Hilfe eines Regelventils 25 regulierbar,
welches in einer Umgehungsleitung 26 positioniert ist.
Die Umgehungsleitung 26 zweigt stromauf des Turbinenrades 20 von
der Abgasleitung 7 ab und mündet stromab des Turbinenrades 20 wieder
in die Abgasleitung 7 ein. Der Luftführungsabschnitt 15 könnte ebenfalls
mit einer variablen Laufradgeometrie versehen sein.
-
Die
variablen Leitgittergeometrie 22 und das Regelventil 25 sind
mit Hilfe des Regelungs- und Steuerungssystems 13 einstellbar.
-
Das
Turbinenrad 20 mit einer Längsachse 34 weist
eine Mehrzahl von Laufradschaufeln 27, welche auf einer
Nabe 28 fest positioniert sind, sowie einen Radrücken 29 auf,
welcher der Welle 21 zugewandt positioniert ist. Das der
Welle 21 abgewandt angeordnete Ende des Turbinenrades 20 weist
eine Nabenstirnfläche 30 auf.
-
In
einem Austrittskanal 31 des Abgasführungsabschnitts 16 stromab
der Spiralkanäle 23, 24 ist
im Bereich der Nabenstirnfläche 30 ein
Prallkörper 32 unter
Einhaltung eines Abstandes SF fest positioniert. Der Prallkörper 32 weist
einen Träger 33 auf, welcher
aerodynamisch profiliert ist, derart, dass der Träger 33 in
einem Schnitt parallel zur Längsachse 34 des
Turbinenrades 20 ein tropfenförmiges Profil aufweist, wodurch
die Strömung
des Abgases am Turbinenrad 20 positiv beeinflusst wird.
Als insbesondere vorteilhaft hat sich eine feste Positionierung
des Prallkörpers 32 mit
Hilfe von drei Trägern 33 herausgestellt,
wobei die drei Träger 33 in
einem regelmäßigen Abstand
am Umfang des Prallkörpers 32 verteilt angeordnet
sind.
-
Der
Prallkörper 32 selbst
ist ebenfalls aerodynamisch ausgebildet, in Form eines Zylinders,
dessen vom Turbinenrad 20 abgewandt positioniertes Ende
kegelförmig
ausgebildet ist, wodurch der Prallkörper 32 ein „raketenförmiges” Profil
aufweist.
-
Eine
maximale Verschleißlänge SV ergibt sich
durch eine Abrasion der Laufradschaufeln 27 infolge einer
axialen Verschiebung des Turbinenrades 20 im Austrittkanal 31.
Die Abrasion der Laufradschaufeln 27 erfolgt dabei an den
den Spiralkanälen 23, 24 zugewandten
Enden der Laufradschaufeln 27 durch Kontakt mit dem Abgasführungsabschnitt 16. Die
maximale Verschleißlänge SV ist
im Versuch zu ermitteln und ist abhängig vom Material des Turbinenrades 20,
vom Material des Abgasführungsabschnitts 16 sowie
von der im Turbinenrad 20 gespeicherten Rotationsenergie.
-
Das
Turbinenrad 20 sollte im Schadensfall nicht soweit axial
verschiebbar sein, dass aus dem Bereich des Lagerabschnitts 17 aus
einem der dort zur Schmierung der Lager vorgesehenen Ölkanäle Öl in den
Abgasführungsabschnitt 16 dringen
kann. Eine maximal mögliche
axiale Verschiebung bevor Öl in
den Abgasführungsabschnitt 16 dringen
kann, entspricht dabei einer axialen Einschublänge SK eines den ölführenden
Bereich des Lagerabschnitts 17 gegen den Radrücken 29 abdichtenden
Dichtelements 35 der Welle 21. Die axiale Einschublänge SK entspricht
in 2 der axialen Differenz zwischen einer dem Radrücken 29 zugewandt
positionierten Seite des Dichtelementes 35 und einem dem
Dichtelement 35 zugewandt positionierten Rand eines konusförmigen Abschnitts
der Welle 21.
-
Der
Abstand SF ist so bestimmt, dass die Differenz der axialen Einschublänge SK des
Dichtelements 35 und der maximalen Verschleißlänge SV des
Turbinenrades 20 größer ist
als der Abstand SF. Dies entspricht der Tatsache, dass die Summe
der Verschleißlänge SV und
dem zu dimensionierenden Abstand SF des Prallkörpers 32 unterhalb
einer maximal zulässigen
Verschiebelänge
des Dichtelements 35 bleiben muss, wobei die maximal zulässige Verschiebelänge der
axialen Einschublänge
SK entspricht. Somit gilt: SV + SF < SK.
-
Je
nach Auslegung und Werkstoffpaarung der Nabenstirnfläche 30 sowie
des der Nabenstirnfläche 30 zugewandt
positionierten Endes des Prallkörpers 32 ist
ein Reibverschweißung
vorteilhaft.