DE102013224572A1

DE102013224572A1 - Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013224572A1
Application number: DE102013224572.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Laubender; Marcus Schneider
Original assignee: Bosch Mahle Turbo Systems GmbH and Co KG
Current assignee: BMTS Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03
Also published as: CN104675453A; US20150159502A1; US9835045B2; CN104675453B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, – mit einem Turbinengehäuse (2), – mit einem eine erste Anzahl von Laufschaufeln (4) aufweisenden Turbinenrad (3), welches relativ zum Turbinengehäuse (2) um einen Turbinenrad-Drehpunkt (D) drehbar ist und einen Turbinenrad-Radius (RTR) aufweist, – mit einer variable Turbinengeometrie (5), umfassend einen Schaufellagerring, an dem eine zweite Anzahl von Leitschaufeln (6) jeweils um einen Leitschaufel-Drehpunkt (P) drehbar gelagert sind, wobei die Leitschaufeln (6) zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position verstellbar sind, – wobei jede Leitschaufel (6) im Längsprofil eine dem Turbinenrad-Drehpunkt (D) abgewandte erste und eine dem Turbinenrad-Drehpunkt (D) zugewandte zweite Profilnase (9, 10) aufweist, – wobei der Abstand (RTE) der zweiten Profilnase (10) zum Turbinenrad-Drehpunkt (D) in der geöffneten Position der Leitschaufeln (6) und der Radius des Turbinenrads (RTR) folgende Beziehung erfüllen: 1,03 ≤ RTE/RTR ≤ 1,06.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasturbolader, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgasturbolader.
Bekanntlich bestehen Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen aus zwei Strömungsmaschinen: Zum einen aus einer Turbine, zum anderen aus einem Verdichter. Die Turbine nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters, welcher Frischluft ansaugt und verdichtete Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine einbringt. Wegen des üblicherweise sehr hohen Drehzahlbereichs der Brennkraftmaschine ist eine Regelung des Abgasturboladers erforderlich, so dass ein möglichst konstanter Ladedruck in einem möglichst großen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann. Hierfür sind Lösungen bekannt, gemäß welchen ein Teil des Abgasstroms mittels eines Bypass-Kanals um die Turbinen herumgeführt wird. Eine energetisch günstigere Lösung ermöglicht aber die sogenannte variable Turbinengeometrie, bei der das Aufstauverhalten der Turbine kontinuierlich verändert und damit jeweils das gesamte Abgas genutzt werden kann. Eine solche variable Turbinengeometrie ist in herkömmlicher Weise mittels verstellbarer Leitschaufeln realisiert, mittels welcher der gewünschte, durch einen Abgasturbolader strömende Abgasstrom variabel eingestellt werden kann.
Als problematisch in variablen Turbinengeometrien mit verstellbaren Leitschaufeln erweist sich, dass durch die sich verjüngenden Kanäle zwischen den Leitschaufeln die pulsierende Abgasausstöße des Motors beschleunigt werden und mit größerem Impuls auf die Schaufeln des Turbinenrades auftreffen, was zur Anregung von Eigenschwingungen in den Turbinenradschaufeln selbst, und über Laufzeit zur Ermüdungsbrüchen und somit Zerstörung des Turboladers, führen kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, bei der Entwicklung von variablen Turbinengeometrien neue Wege aufzuzeigen und dabei insbesondere eine variable Turbinengeometrie bereitzustellen, welche einen verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, einen Abgasturbolader mit einer Leitschaufeln umfassenden variablen Turbinengeometrie auszustatten, wobei die Leitschaufeln zwischen einer geschlossenen Position, in welcher ein Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln zum Durchströmen mit Abgas minimal ist, und einer geöffneten Position, in welcher dieser Strömungsquerschnitt maximal ist, verstellbar sind. Jede Leitschaufel besitzt im Längsprofil eine dem Turbinenrad-Drehpunkt abgewandte erste und eine dem Turbinenrad-Drehpunkt zugewandte zweite Profilnase aufweist, deren gerade Verbindungslinie eine Profilsehne definiert. Erfindungsgemäß erfüllen nun der Abstand R_TE der zweiten Profilnase zum Turbinenrad-Drehpunkt in der geöffneten Position der Leitschaufeln und der Radius des Turbinenrads R_TR folgende Beziehung erfüllen: 1,03 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,09.
Die erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung des Abgasturboladers mindert unerwünschte Anregungsschwingungen bzw. Schwingungsbelastungen an den in erheblichem Maße, was sich positiv auf den thermodynamischen Wirkungsgrad des Abgasturboladers auswirkt. Gleichzeitig werden die zum Bewegen der Leitschaufeln benötigten Verstellkräften minimiert. Auch das Hysterese-Verhalten der variablen Turbinengeometrie wird verbessert, wodurch ein gutes Regelverhalten erzielt werden kann.
Als besonders vorteilhaft hinsichtlich des zu erzielenden Wirkungsgrads erweist sich eine Ausführungsform, bei welcher der Abstand R_TE und der Radius R_TR die folgende Beziehung erfüllen: 1,04 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,08, vorzugsweise 1,05 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,07.
Besonders zweckmäßig wird die Mittellinie im Längsprofil der Leitschaufel durch den Leitschaufel-Drehpunkt in eine erste Sehne mit Sehnenlänge L₁ und eine zweite Sehne mit Sehnenlänge L₂ unterteilt. Die erste Sehne ist gemäß dieser Variante durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts mit der ersten Profilnase und die zweite Sehne durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts mit der zweiten Profilnase definiert.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad des Abgasturboladers wird nun erzielt, wenn die Leitschaufeln derart ausgebildet sind, dass in das Turbinengehäuse eintretendes Abgas unter einem Anströmwinkel α < 4° relativ zur ersten Sehne auf die Leitschaufel trifft, wenn sich die Leitschaufeln in ihrer geschlossenen Position befinden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel ξ₂ zwischen einer den Turbinenrad-Drehpunkt und die zweite Profilnase verbindenden Verbindungsgeraden und der ersten Sehne in folgendem Winkelintervall:
35° ≤ ξ₂ ≤ 55°, falls sich die Leitschaufeln in der geöffneten Position befinden, und
95° ≤ ξ₂ ≤ 110°, falls sich die Leitschaufeln in der geschlossenen Position befinden.
Bei einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform erfüllt der Winkel ξ₁ zwischen einer den Turbinenrad-Drehpunkt und die zweite Profilnase verbindenden Verbindungsgeraden und der zweiten Sehne eine der beiden folgenden Beziehungen: 1,4 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,6, oder 1,2 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,4.
Vorteilhafterweise gehorchen der bezüglich des Turbinenrad-Drehpunkts als Scheitelpunkt zwischen zwei benachbarten Leitschaufel-Drehpunkten P gebildete Winkel χ und der Öffnungswinkel κ einer Laufschaufel im Längsschnitt folgender Beziehung: 0,4 ≤ χ/κ ≤ 2,4, vorzugsweise 0,6 ≤ χ/κ ≤ 1,7, höchst vorzugsweise 0,9 ≤ χ/κ ≤ 1,2.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gehorchen die Länge S₂ der Verbindungslinie zweier benachbarter zweiter Profilnasen im geöffneten Zustand der Leitschaufeln sowie die Eintrittsbreite S₃ zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln folgender Beziehung: 0,45 ≤ S₂/S₃ ≤ 3,2, vorzugsweise 0,65 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,7, höchst vorzugsweise 0,92 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,25.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform gehorcht das Verhältnis einer Strömungsfläche A_TR zwischen zwei Laufschaufeln zur Eintrittsfläche A_LS zwischen zwei Leitschaufeln folgender Beziehung: 0,36 ≤ A_LS/A_TR ≤ 3,82, vorzugsweise 0,52 ≤ A_LS/A_TR ≤ 2,05, höchst vorzugsweise 0,74 ≤ A_LS/A_TR ≤ 1,5.
Als strömungsdynamisch besonders günstig erweist sich eine Ausführungsform, bei welcher das Verhältnis einer Höhe h_TR einer Laufschaufel zur Höhe h_LS einer Leitschaufel folgende Beziehung erfüllt: 0,8 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,2, vorzugsweise 0,9 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,1.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung gehorcht das Verhältnis eines Durchmessers D_TR einer Laufschaufel zur Höhe h_TR der Laufschaufel folgender Beziehung: 0,1 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,2, vorzugsweise 0,12 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,18, höchst vorzugsweise 0,13 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,16.
Gemäß einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung gilt für eine Überlappung Δ zweier benachbarter Leitschaufeln in der geschlossenen Position und die Länge einer Leitschaufel L_LS folgende Beziehung gilt: 0,05·L_LS ≤ Δ ≤ 0,4·L_LS, vorzugsweise 0,1·L_LS ≤ Δ ≤ 0,3·L_LS, höchst vorzugsweise 0,15·L_LS ≤ Δ ≤ 0,2·L_LS.
Als fertigungstechnisch besonders günstig erweisen sich zwei Ausführungsformen, bei welchen der Abgasturbolader 11 Leitschaufeln und 9 Laufschaufeln bzw. 13 Leitschaufeln und 11 Laufschaufeln aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird durch die erste, vom Turbinenrad abgewandte Profilnase der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems definiert. Durch die Profilsehne ist eine X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems definiert, wobei sich entsprechend eine Y-Richtung des kartesischen Koordinatensystems orthogonal zur X-Richtung von der ersten Profilnase weg erstreckt. Die Leitschaufeln weisen im Längsprofil jeweils eine abschnittsweise konkav und abschnittsweise konvex ausgebildete Profilunterseite mit jeweils einem Tiefpunkt P₁ und einem Hochpunkt P₂ und jeweils eine konvex ausgebildete Profiloberseite mit einem Hochpunkt P₃ auf. Der Abstand x_p zwischen erster Profilnase und dem Leitschaufel-Drehpunkt P und der Abstand x₁ zwischen erster Profilnase und dem Tiefpunkt P₁ erfüllen in X-Richtung folgende Beziehung: (x_p – x₁)/x_p > 0,8.
Zusätzlich erfüllten der Abstand x₁ sowie der Abstand y₁ zwischen erster Profilnase und dem Tiefpunkt P₁ in Y-Richtung folgende Beziehung: y₁/x₁ < 0,4.
Zur weiteren Reduzierung der auf die Leitschaufeln wirkenden aerodynamischen Kräfte weisen die Leitschaufeln bei einer bevorzugten Ausführungsform im Längsprofil jeweils eine abschnittsweise konkav und abschnittsweise konvex ausgebildete Profilunterseite mit jeweils einem Tiefpunkt P₁ und einem Hochpunkt P₂ auf. Weiterhin weisen die Leitschaufeln jeweils eine konvex ausgebildete Profiloberseite mit einem Hochpunkt P₃ auf. Dabei ist durch die erste, dem Turbinengehäuse abgewandte Profilnase der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems und durch die Profilsehne eine X-Richtung dieses kartesischen Koordinatensystems definiert. Die Y-Richtung des kartesischen Koordinatensystems erstreckt sich orthogonal zur X-Richtung von der ersten Profilnase weg. Gemäß dieser Ausführungsform erfüllen in X-Richtung jeweils der Abstand x_p zwischen erster Profilnase und dem Leitschaufel-Drehpunkt P und der Abstand x₁ zwischen erster Profilnase und dem Tiefpunkt P₁ folgende Beziehung: (x_p – x₁)/x_p > 0,8; gleichzeitig erfüllen der Abstand x₁ und der Abstand y₁ zwischen erster Profilnase x₁ und dem Tiefpunkt P₁ in Y-Richtung folgende Beziehung: y₁/x₁ < 0,4.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Längsprofil durch eine Mehrzahl von Konstruktionskreisen eine Mittellinie definiert, wobei für den Radius des ersten, die erste Profilnase definierenden Konstruktionskreises eine der beiden folgenden Beziehungen erfüllt: r/x_p > 0,08 oder r/x_p < 0,045.
Die Konstruktionskreise liegen dabei mit ihrem Mittelpunkt auf der Mittellinie und tangieren die Profilunterseite und -oberseite.
Besonders zweckmäßig gelten im Längsprofil einer Leitschaufel für den Durchmesser k₁ eines der ersten Profilnase zugeordneten ersten Konstruktionskreises, für den Durchmesser k₂ eines der zweiten Profilnase zugeordneten ersten Konstruktionskreises und den Konstruktionskreis mit maximalem Durchmesser k_max folgende Beziehungen: 1 ≤ k_max/k₁ ≤ 20, und 1 ≤ k_max/k₂ ≤ 10.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, welche den Wirkungsgrad des Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie weiter verbessert, sind folgende Beziehungen erfüllt:
0,03 ≤ r/x_p, vorzugsweise 0,07 ≤ r/x_p, höchst vorzugsweise 0,11 ≤ r/x_p. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform gilt für die Leitschaufel-Geometrie folgende Beziehung: r/x_p ≤ 0,4, vorzugsweise r/x_p ≤ 0,38, höchst vorzugsweise r/x_p ≤ 0,35.
Gemäß einer weiteren, besonders zweckmäßigen Ausführungsform sind im kartesischen Koordinatensystem die X- und Y-Koordinaten folgender Punkte definiert:

– x_p, y_p: kartesische Koordinaten des Leitschaufel-Drehpunkts P,
– x₁, y₁: Tiefpunkt P₁ der konvexen Profilunterseite,
– x₂, y₂: Hochpunkt P₂ der konkaven Profilunterseite,
– x₃, y₃: Hochpunkt P₃ der konvexen Profiloberseite,
– x₄, y₄: Hochpunkt P₄ der Mittellinie,
– x₅, y₅: erster Schnittpunkt P₅ der konvexen Profilunterseite mit der Profilsehne,
– x₆, y₆: zweiter Schnittpunkt P₆ der konkaven Profilunterseite mit der Profilsehne.

₁

₂

0 ≤ y_p/y₄ ≤ 2,

0 ≤ y_p/y₁ ≤ 5,

0 ≤ y₂/y_p ≤ 0,7,

0 ≤ y₃/y₁ ≤ 5.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur weiteren Reduzierung der auf die Leitschaufeln wirkenden aerodynamischen Kräfte erfüllt eine Länge L_Profilsehne der Profilsehne folgende Beziehung:
0,3 L_Profilsehne < x_p < 0,5 L_Profilsehne, wobei x_p die X-Koordinate des Leitschaufel-Drehpunkts ist.
Besonders zweckmäßig gilt in einer weiterbildenden Ausführungsform folgende Beziehung bezüglich der y-Koordinate y₃ des Hochpunkts P₃ und des Leitschaufel-Drehpunkts y_p:
0 ≤ y_p/y₃ ≤ 1, vorzugsweise 0 ≤ y/y₃ ≤ 0,5, höchst vorzugsweise 0 ≤ y_p/y₃ ≤ 0,25.
In einer weiterbildenden Ausführungsform erfüllen die Koordinaten x₁, y₁ des Tiefpunkts P₁ der konvexen Profilunterseite folgende Beziehung: 0 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,5, vorzugsweise 0,8 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,4, höchst vorzugsweise 1,0 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,3.
Bei einer in besonderem Maße Wirkungsgrad-optimierten Ausführungsform gilt für den Zusammenhang zwischen den jeweiligen X-Koordinanten des Leitschaufel-Drehpunkts x_p und des Tiefpunkts P₁ der konvexen Profilunterseite x₁:
0,8 ≤ (x_p – x₁)/x_p, vorzugsweise 0,9 ≤ (x_p – x1)/x_p, höchst vorzugsweise 0,99 ≤ (x_p – x1)/x_p.
Bei einer dazu alternativen Ausführungsform mit ebenfalls optimiertem Wirkungsgrad gilt für den Zusammenhang zwischen den jeweiligen X-Koordinanten x_p, x₁ des Leitschaufel-Drehpunkts P und des Tiefpunkts P₁ der konvexen Profilunterseite x₁ hingegen: (x_p – x₁)/x_p ≤ 0,3, vorzugsweise (x_p – x₁)/x_p ≤ 0,2, höchst vorzugsweise (x_p – x₁)/x_p ≤ 0,1.
Zur weiteren Optimierung der Anströmung der Leitschaufeln erfüllt die Geometrie des Längsprofils der Leitschaufeln bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform folgende Bedingungen:

– 0,7 ≤ (x_p – x₃)/x_p ≤ 0,7,
– 1,5 ≤ (x_p – x₅)/x_p ≤ 1,5,
– 0,7 ≤ (x_p – x₄)/x_p ≤ 0,7,
– 1,7 ≤ (x_p – x₂)/x_p ≤ 1,7,
– 2,0 ≤ (x_p – x₆)/x_p ≤ 1,7,
– 1,5 ≤ (x₂ – x₅)/(x₆ – x₂) ≤ 1,5, und
– 1,5 ≤ (x₆ – x₂)/(x₂ – x₅) ≤ 1,5.

Besonders zweckmäßig kann die Mittellinie durch den Leitschaufel-Drehpunkt P in eine erste Sehne mit Sehnenlänge L₁ und eine zweite Sehne mit Sehnenlänge L₂ unterteilt werden, wobei dann bei einer Ausführungsform mit besonders hohem Wirkungsgrad folgende Beziehung gilt: 0,5 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,0, vorzugsweise 0,6 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,0, höchst vorzugsweise: 0,7 ≤ L₁/L₂ ≤ 1.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine sowie mit einem mit der Brennkraftmaschine zusammenwirkenden Abgasturbolader mit einem oder mehreren der vorangehend vorgestellten Merkmale.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1a eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie in einer Teilansicht,
1b die variable Turbinengeometrie der 1a in einer Detailansicht,
2 eine Leitschaufel der variablen Turbinengeometrie in einem Längsprofil,
3 das Längsprofil der 2 mit jeweiligen, eine Leitschaufel definierenden Konstruktionskreisen.
In der 1a ist ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader grobschematisch und in einer Teilansicht dargestellt und mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Der Abgasturbolader 1 umfasst ein Turbinengehäuse 2 mit einem eine erste Anzahl von Laufschaufeln 4 aufweisenden Turbinenrad 3, welches in der 1 nur grobschematisch dargestellt ist. Das Turbinenrad 3 ist relativ zum Turbinengehäuse 2 um einen Turbinenrad-Drehpunkt D drehbar.
Des Weiteren umfasst der Abgasturbolader 1 eine variable Turbinengeometrie 5, die einen in der schematischen Darstellung der 1 nicht gezeigten Schaufellagerring umfasst, an welchem eine zweite Anzahl von Leitschaufeln 6 jeweils um einen Leitschaufel-Drehpunkt P drehbar gelagert sind. Die zweite Anzahl von Leitschaufeln 6 ist dabei von der ersten Anzahl von Laufschaufeln 4 verschieden. In dem in der 1a gezeigten Beispiel umfasst das Turbinenrad 3 exemplarisch zwölf Laufschaufeln 4 und die variable Turbinengeometrie 5 dreizehn Leitschaufeln 6; selbstverständlich ist in Varianten aber auch eine andere Anzahl an Leitschaufeln 6 bzw. Laufschaufeln 4 möglich.
So ist etwa in 1b grobschematisch eine variable Turbinengeometrie 5 mit elf Leitschaufeln 6 und zehn Laufschaufeln 4 gezeigt. Die Leitschaufeln 6 sind zwischen einer geschlossenen Position, in welcher ein Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln 6 zum Durchströmen mit Abgas minimal ist, und einer geöffneten Position, in welcher dieser Strömungsquerschnitt maximal ist, verstellbar.
Das Turbinengehäuse 2 weist im Beispiel der 1a eine volutenartige Geometrie sowie eine Einlassöffnung 7 und eine Auslassöffnung 8 auf. Mittels des Turbinenrads 3 wird ein mit der Einlassöffnung 7 in Fluidverbindung stehender Hochdruckbereich von einem mit der Auslassöffnung 8 in Fluidverbindung stehenden Niederdruckbereich getrennt.
Zum Verstellen der Leitschaufeln 6 zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position kann die variable Turbinengeometrie 5 ein in den 1a/b der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigtes Verstellelement mit einer jeweiligen Aufnahme aufweisen, wobei jede Leitschaufel 6 über einen jeweiligen Stellhebel in eine solche Aufnahme des Verstellelements eingreift. Selbstverständlich sind in Varianten aber auch andere Realisierungen zum Verstellen der Leitschaufeln 6 zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position oder einer Zwischenposition vorstellbar.
In der 2 ist nun eine Leitschaufel 6 der variablen Turbinengeometrie 5 in einem Längsschnitt gezeigt. Die Leitschaufel 6 weist im Längsprofil eine erste Profilnase 9 sowie eine zweite Profilnase 10 auf. Durch die Verbindungslinie zwischen den beiden Profilnasen 9, 10 wird eine Profilsehne 11 definiert.
Aus 1b entnimmt man wiederum, dass der Abstand R_TE der zweiten Profilnase zum Turbinenrad-Drehpunkt in der geöffneten Position der Leitschaufeln und der Radius des Turbinenrads R_TR erfindungsgemäß folgende Beziehung erfüllen: 1,03 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,09.
Eine solche Dimensionierung der variablen Turbinengeometrie 5 mindert unerwünschte Anregungsschwingungen bzw. Schwingungsbelastungen an den Leitschaufeln 4 in erheblichem Maße, was sich positiv auf den thermodynamischen Wirkungsgrad des Abgasturboladers 1 auswirkt. Gleichzeitig werden die zum Bewegen der Leitschaufeln 4 benötigten Verstellkräften minimiert. Ebenso wird das Hysterese-Verhalten der variablen Turbinengeometrie 5 minimiert, wodurch ein besonders gutes Regelverhalten erzielt werden kann.
Besonders vorteilhaft hinsichtlich des zu erzielenden Wirkungsgrads ist eine Variante, bei welcher der Abstand R_TE und der Radius R_TR folgende Beziehung erfüllen: 1,04 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,08, vorzugsweise sogar 1,05 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,07.
Betrachtet man nun wieder die Darstellung der 2, so erkennt man, dass im Längsprofil der Leitschaufel 6 deren Mittellinie 14 durch den Leitschaufel-Drehpunkt P in eine erste Sehne 13a mit Sehnenlänge L₁ und eine zweite Sehne 13b mit Sehnenlänge L₂ unterteilt wird. Die erste Sehne 13a ist dabei durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts P mit der ersten Profilnase 9 und die zweite Sehne 13b durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts P mit der zweiten Profilnase 10 definiert. Im Beispielszenario der Figuren sind nun die Leitschaufeln 6 derart ausgebildet, dass in das Turbinengehäuse 2 eintretendes Abgas unter einem Anströmwinkel α < 4° relativ zur ersten Sehne 13a auf die Leitschaufel 6 trifft, wenn sich die Leitschaufeln 6 in ihrer geschlossenen Position befinden.
1b zeigt eine Winkel ξ₂ zwischen einer den Turbinenrad-Drehpunkt D und die zweite Profilnase 10 verbindenden Verbindungsgeraden 16 und der ersten Sehne 13a. Dieser liegt im Beispielszenario Winkelintervall 35° ≤ ξ₂ ≤ 55°, falls sich die Leitschaufeln 6 in der geöffneten Position befinden, und im Winkelbereich 95° ≤ ξ₂ ≤ 110°, falls sich die Leitschaufeln 6 in der geschlossenen Position befinden. Zusätzlich erfüllt ein Winkel ξ₁ zwischen der den Turbinenrad-Drehpunkt D und die zweite Profilnase 10 verbindenden Verbindungsgeraden 16 und der zweiten Sehne 13b eine der beiden folgenden Beziehungen: 1,4 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,6, oder 1,2 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,4.
Der bezüglich des Turbinenrad-Drehpunkts D als Scheitelpunkt zwischen zwei benachbarten Leitschaufel-Drehpunkten P gebildete Winkel χ und der Öffnungswinkel κ einer Laufschaufel 6 gehorchen im Längsschnitt folgender Beziehung: 0,4 ≤ χ/κ ≤ 2,4. In einer Variante gilt sogar 0,6 ≤ χ/κ ≤ 1,7, in einer besonders bevorzugten Variante 0,9 ≤ χ/κ ≤ 1,2.
Der 1b lässt sich ferner entnehmen, dass die Länge S₂ der Verbindungslinie zweier benachbarter zweiter Profilnasen 10 im geöffneten Zustand der Leitschaufeln 6 sowie die Eintrittsbreite S₃ zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 4 folgender Beziehung gehorchen: 0,45 ≤ S₂/S₃ ≤ 3,2. In einer Variante gilt sogar 0,65 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,7, in einer besonders bevorzugten Variante 0,92 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,25. Das Verhältnis einer Strömungsfläche A_TR (in den Figuren nicht gezeigt) zwischen zwei Laufschaufeln 4 zur Eintrittsfläche zwischen zwei Leitschaufeln 6 A_LS (in den Figuren ebenfalls nicht gezeigt) gehorcht folgender Beziehung: 0,36 ≤ A_LS/A_TR ≤ 3,82. In einer Variante gilt sogar 0,52 ≤ A_LS/A_TR ≤ 2,05, in einer weiteren Variante sogar 0,74 ≤ A_LS/A_TR ≤ 1,5.
Schließlich gilt für das Verhältnis einer Höhe h_TR einer Laufschaufel 4 zur Höhe h_LS einer Leitschaufel 6 folgende Beziehung: 0,8 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,2. Wiederum gilt in einer Variante 0,9 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,1. Die genannten Höhen h_TR, h_LS beziehen sich dabei auf eine orthogonal zur Zeichenrichtung der Figuren angeordnete Hochrichtung H. Für das Verhältnis eines Durchmessers D_TR einer Laufschaufel 4 zur Höhe h_TR der Laufschaufel 4 gilt folgende Beziehung: 0,1 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,2. In einer bevorzugten Variante gilt 0,12 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,18, in einer weiteren Variante sogar 0,13 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,16.
Im Beispiel der Figuren gilt ferner für eine Überlappung zweier benachbarter Leitschaufeln 6 in der geschlossenen Position und die Länge einer Leitschaufel L_LS: 0,05·L_LS ≤ Δ ≤ 0,4·L_LS, vorzugsweise 0,1·L_LS ≤ Δ ≤ 0,3·L_LS, höchst vorzugsweise 0,15·L_LS ≤ Δ ≤ 0,2·L_LS. Dabei ist Δ der Überlappungsbereich zweier benachbarter Leitschaufeln 6 – in ihrem Längsprofil – in ihrer geschlossenen Position, der sich folglich von einer ersten Profilnase 9 einer bestimmten Leitschaufel 6 bis zur zweiten Profilnase 10 der zu dieser Leitschaufel 4 benachbarten Leitschaufel 6 erstreckt.
Wie in 2 gezeigt, kann die Leitschaufel 6 im Längsprofil jeweils eine abschnittsweise konvex ausgebildete Profilunterseite 12a sowie eine konvex ausgebildete Profiloberseite 12b aufweisen. Der konvex ausgebildete Abschnitt der Profilunterseite 12a weist dann einen Tiefpunkt P₁ auf. Ebenso weist der konkav ausgebildete Abschnitt der Profilunterseite 12a einen Hochpunkt P₂ auf, die Profiloberseite 12b einen Hochpunkt P₃.
Aus der Darstellung der 2 lässt sich auch entnehmen, dass die erste, vom Turbinenrad 3 abgewandte Profilnase 9 den Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems festlegt. Durch die Profilsehne 11 ist eine X-Richtung dieses Koordinatensystems definiert. Entsprechend erstreckt sich eine Y-Richtung des Koordinatensystems orthogonal zur X-Richtung von der ersten Profilnase 9 weg. Der Abstand x_p zwischen erster Profilnase 9 und dem Leitschaufel-Drehpunkt P sowie der Abstand x₁ zwischen erster Profilnase 9 und Tiefpunkt P₁ in X-Richtung erfüllen folgende Beziehung: (x_p – x₁)/x_p > 0,8.
Entsprechend erfüllen der vorangehend definierte Abstand x₁ sowie der Abstand y₁ zwischen erster Profilnase 9 und dem Tiefpunkt P₁ in Y-Richtung folgende Beziehung: y₁/x₁ < 0,4.
Betrachtet man nun die Darstellung der 3, welche die Leitschaufel 6 in analoger Weise zur 2 in einem Längsprofil zeigt, so erkennt man, dass im Längsprofil der Leitschaufel 6 durch eine Mehrzahl von Konstruktionskreisen 15 eine Mittellinie 14 zwischen der Profiloberseite 12b und der Profilunterseite 12a definiert ist. Für den Radius r des ersten, die erste Profilnase 9 definierenden Konstruktionskreises K₁ gilt entweder die Bedingung r/x_p > 0,08 oder r/x_p < 0,045.
Bezüglich der X-Koordinate x_p des Leitschaufel-Drehpunkts P gilt in einer Variante des Ausführungsbeispiels 0,03 ≤ r/x_p, vorzugsweise 0,07 ≤ r/x_p, höchst vorzugsweise 0,11 ≤ r/x_p. In einer dazu alternativen Variante gilt hingegen r/x_p ≤ 0,4, vorzugsweise r/x_p ≤ 0,38, höchst vorzugsweise r/x_p ≤ 0,35.
In dem im Beispiel der 3 gezeigten Längsprofil der Leitschaufel 6 gelten für den Durchmesser k₁ eines der ersten Profilnase 9 zugeordneten ersten Konstruktionskreises 15 ₁, für den Durchmesser k₂ eines der zweiten Profilnase 10 zugeordneten ersten Konstruktionskreises 15 ₂ und den Konstruktionskreis 15 _max mit maximalem Durchmesser k_max folgende Beziehungen: 1 ≤ k_max/k₁ ≤ 20, und 1 ≤ k_max/k₂ ≤ 10.
In dem in den 2 und 3 gezeigten kartesischen Koordinatensystem sind also, wie vorangehend bereits erläutert, durch die X- und Y-Koordinaten folgender Punkte definiert:

– die kartesische Koordinaten x_p, y_p des Leitschaufel-Drehpunkts P,
– die kartesische Koordinaten x₁, y₁ des Tiefpunkts P₁ der konvexen Profilunterseite 12a,
– die kartesische Koordinaten x₂, y₂ des Hochpunkts P₂ der konkaven Profilunterseite 12a,
– die kartesische Koordinaten x₃, y₃ des Hochpunkts P₃ der konvexen Profiloberseite 12b.

Weiterhin ist im Längsprofil der Leitschaufel 6 gemäß der 2 ein Schnittpunkt P₅ der konvexen Profilunterseite 12a mit der Profilsehne 11 definiert, welcher im kartesischen Koordinatensystem die X- bzw. Y-Koordinate x₅, y₅ aufweist. Entsprechend ist im Längsprofil der Leitschaufel 6 auch ein Schnittpunkt P₆ der konkaven Profilunterseite 12a mit der Profilsehne 11 definiert, welcher im kartesischen Koordinatensystem die X- bzw. Y-Koordinate x₆, y₆ besitzt. Durch die kartesischen Koordinaten x₄, y₄ wird ein Hochpunkt P₄ der Mittellinie 14 definiert.
Für die vorangehend definierten Extrempunkte P₁, P₂, P_3, P₄, für die Schnittpunkte P₅ und P₆ sowie für den Leitschaufel-Drehpunkt P der Leitschaufel 6 gelten in dem in der 2 gezeigten, gegenüber herkömmlichen Leitschaufeln verbesserten Längsprofil die folgenden Beziehungen:

– 0,7 ≤ (x_p – x₃)/x_p ≤ 0,7,
– 1,5 ≤ (x_p – x₅)/x_p ≤ 1,5,
– 0,7 ≤ (x_p – x₄)/x_p ≤ 0,7,
– 1,7 ≤ (x_p – x₂)/x_p ≤ 1,7,
– 2,0 ≤ (x_p – x₆)/x_p ≤ 1,7,
– 1,5 ≤ (x₂ – x₅)/(x₆ – x₂) ≤ 1,5,
– 1,5 ≤ (x₆ – x₂)/(x₂ – x₅) ≤ 1,5.

Gleichzeitig gilt: 0 ≤ y_p/y₄ ≤ 2; 0 ≤ y_p/y₁ ≤ 5; 0 ≤ y₂/y_p ≤ 0,7; 0 ≤ y₃/y₁ ≤ 5.
Für die Lage des Abstands x_p des Leitschaufel-Drehpunkts P von der ersten Profilnase 9 in X-Richtung gilt: 0,3 L_Profilsehne < x_p < 0,5 L_Profilsehne, wobei L_Profilsehne die Länge der Profilsehne 11 ist.
Zusätzlich kann für die Y-Koordinate des Leitschaufel-Drehpunkts P relativ zur Y-Koordinate des Hochpunkts P₃ der konvexen Profiloberseite 12b die Ungleichung 0 ≤ y_p/y₃ ≤ 1 gelten. Gemäß einer bevorzugten Variante gilt sogar 0,6 ≤ y_p/y₃ ≤ 0,9, gemäß einer besonders bevorzugten Variante 0,65 ≤ y_p/y₃ ≤ 0,73.
Weiterhin gilt nun für die kartesische Koordinaten x₁, y₁ des ersten Extrempunkts P_1. Gemäß einer bevorzugten Variante gilt 0 ≤ y₁/x₁ ≤ 0,4, vorzugsweise 0 ≤ x₁/y₁ ≤ 0,3, besonders bevorzugt sogar 0 ≤ y₁/x₁ ≤ 0,2. Alternativ dazu können aber auch folgende Beziehungen gelten: 0,80 ≤ y₁/x₁ ≤ 1,5, in einer bevorzugten Variante gilt 0,90 ≤ y₁/x₁ ≤ 1,3, höchst vorzugsweise gilt 1,0 ≤ y₁/x₁ ≤ 1,1.
Weiterhin kann für die X-Koordinate x₁ des Tiefpunkts P₁ und die X-Koordinate x_p des Leitschaufel-Drehpunkts P die Beziehung 0,8 ≤ (x_p – x₁)/x_p, vorzugsweise 0,9 ≤ (x_p – x1)/x_p, und höchst vorzugsweise 0,99 ≤ (x_p – x₁)/x_p gelten. In einer dazu alternativen Variante erfüllt die Leitschaufel 6 im Längsprofil hingegen folgende Bedingungen:
(x_p – x₁)/x_p ≤ 0,3, vorzugsweise (xp – x1)/x_p ≤ 0,2, höchst vorzugsweise (x_p – x₁)/x_p ≤ 0,1.
Betrachtet man das Längsprofil der 2, so erkennt man, dass die Mittellinie 14 zwischen Profilunterseite 12a und Profiloberseite 12b durch den Leitschaufel-Drehpunkt P in die erste Sehne 13a mit Sehnenlänge L₁ und in die zweite Sehne 13b mit Sehnenlänge L₂ unterteilt wird. Die beiden Sehnen 13a, 13b sind Verbindungslinien des Drehpunkts P mit der ersten bzw. zweiten Profilnase 9, 10. Der Zusammenhang zwischen L₁ und L₂ der Leitschaufel 6 lautet dabei 0,5 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,0. Vorzugsweise gilt 0,6 ≤ L₁/L₂ ≤ 1,0, höchst vorzugsweise gilt sogar 0,7 ≤ L₁/L₂ ≤ 1.

Claims

Abgasturbolader (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, – mit einem Turbinengehäuse (2), – mit einem eine erste Anzahl (n_TR) von Laufschaufeln (4) aufweisenden Turbinenrad (3), welches relativ zum Turbinengehäuse (2) um einen Turbinenrad-Drehpunkt (D) drehbar ist und einen Turbinenrad-Radius (R_TR) aufweist, – mit einer variable Turbinengeometrie (5), umfassend einen Schaufellagerring, an dem eine zweite Anzahl (n_LS) von Leitschaufeln (6) jeweils um einen Leitschaufel-Drehpunkt (P) drehbar gelagert sind, wobei die Leitschaufeln (6) zwischen einer geschlossenen Position, in welcher ein Strömungsquerschnitt zwischen den Leitschaufeln (6) zum Durchströmen mit Abgas minimal ist, und einer geöffneten Position, in welcher dieser Strömungsquerschnitt maximal ist, verstellbar sind, – wobei jede Leitschaufel (6) im Längsprofil eine dem Turbinenrad-Drehpunkt (D) abgewandte erste und eine dem Turbinenrad-Drehpunkt (D) zugewandte zweite Profilnase (9, 10) aufweist, deren gerade Verbindungslinie eine Profilsehne (11) definiert, – wobei der Abstand (R_TE) der zweiten Profilnase (10) zum Turbinenrad-Drehpunkt (D) in der geöffneten Position der Leitschaufeln (6) und der Radius (R_TR) des Turbinenrads (3) folgende Beziehung erfüllen: 1,03 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,06.
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (R_TE) und der Radius des Turbinenrads (R_TR) folgende Beziehung erfüllen: 1,04 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,08, vorzugsweise 1,05 ≤ R_TE/R_TR ≤ 1,07.
Abgasturbolader nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – im Längsprofil der Leitschaufel (6) die Mittellinie (14) durch den Leitschaufel-Drehpunkt (P) in eine erste Sehne (13a) mit Sehnenlänge L₁ und eine zweite Sehne (13b) mit Sehnenlänge L₂ unterteilt wird, – wobei die erste Sehne (13a) durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts (P) mit der ersten Profilnase (9) und die zweite Sehne (13b) durch eine Verbindungsgerade des Leitschaufel-Drehpunkts (P) mit der zweiten Profilnase (10) definiert ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (6) derart ausgebildet sind, dass in das Turbinengehäuse (2) eintretendes Abgas unter einem Anströmwinkel α < 4° relativ zur ersten Sehne (13a) auf die Leitschaufel (6) trifft, wenn sich die Leitschaufeln (6) in ihrer geschlossenen Position befinden.
Abgasturbolader nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (ξ₂) zwischen einer den Turbinenrad-Drehpunkt (D) und die zweite Profilnase (10) verbindenden Verbindungsgeraden (16) und der ersten Sehne (13a) in folgendem Winkelintervall liegt: 35° ≤ ξ₂ ≤ 55°, falls sich die Leitschaufeln (6) bezüglich ihrer Drehposition in der geöffneten Position befinden, und 95° ≤ ξ₂ ≤ 110°, falls sich die Leitschaufeln (6) bezüglich ihrer Drehposition in der geschlossenen Position befinden.
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (ξ₁) zwischen einer den Turbinenrad-Drehpunkt (D) und die zweite Profilnase (10) verbindenden Verbindungsgeraden (16) und der zweiten Sehne (13b) eine der beiden folgenden Beziehungen erfüllt: 1,4 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,6, oder 1,2 ≤ ξ₂/ξ₁ ≤ 1,4.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bezüglich des Turbinenrad-Drehpunkts (D) als Scheitelpunkt zwischen zwei benachbarten Leitschaufel-Drehpunkten (P) gebildete Winkel (χ), und der Öffnungswinkel (κ) einer Laufschaufel (4) im Längsschnitt (6) folgender Beziehung gehorchen: 0,4 ≤ χ/κ ≤ 2,4, vorzugsweise 0,6 ≤ χ/κ ≤ 1,7, höchst vorzugsweise 0,9 ≤ χ/κ ≤ 1,2.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (S₂) der Verbindungslinie zweier benachbarter zweiter Profilnasen (10) im geöffneten Zustand der Leitschaufeln (6) sowie die Eintrittsbreite (S₃) zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln (4) folgender Beziehung gehorchen: 0,45 ≤ S₂/S₃ ≤ 3,2, vorzugsweise 0,65 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,7, höchst vorzugsweise 0,92 ≤ S₂/S₃ ≤ 1,25.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Strömungsfläche (A_TR) zwischen zwei Laufschaufeln (4) zur Eintrittsfläche (A_LS) zwischen zwei Leitschaufeln (6) folgender Beziehung gehorcht: 0,36 ≤ A_LS/A_TR ≤ 3,82, vorzugsweise 0,52 ≤ A_LS/A_TR ≤ 2,05, höchst vorzugsweise 0,74 ≤ A_LS/A_TR ≤ 1,5.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Höhe (h_TR) einer Laufschaufel (4) zur Höhe (h_LS) einer Leitschaufel (6) folgender Beziehung gehorcht: 0,8 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,2, vorzugsweise 0,9 ≤ h_LS/h_TR ≤ 1,1.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis eines Durchmessers (D_TR) einer Laufschaufel (4) zur Höhe (h_TR) der Laufschaufel (4) folgender Beziehung gehorcht: 0,1 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,2, vorzugsweise 0,12 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,18, höchst vorzugsweise 0,13 ≤ h_TR/D_TR ≤ 0,16.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im kartesischen Koordinatensystem des Längsprofils der Leitschaufel (6) die X- und Y-Koordinaten folgender Punkte definiert sind: – x_p, y_p: kartesische Koordinaten des Leitschaufel-Drehpunkts, – x₁, y₁: Tiefpunkt (P₁) der konvexen Profilunterseite (12a), – x₂, y₂: Hochpunkt (P₂) der konkaven Profilunterseite (12a), – x₃, y₃: Hochpunkt (P₃) der konvexen Profiloberseite (12b), – x₄, y₄: Hochpunkt (P₄) der Mittellinie (14), – x₅, y₅: Schnittpunkt (P₅) der konvexen Profilunterseite (12a) mit der Profilsehne (11), – x₆, y₆: Schnittpunkt (P₆) der konkaven Profilunterseite (12a) mit der Profilsehne (11), wobei folgende Beziehungen gelten: 0 ≤ y_p/y₄ ≤ 2; 0 ≤ y_p/y₁ ≤ 5; 0 ≤ y₂/y_p ≤ 0,7,
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Längsprofil der Leitschaufel (6) folgende Beziehung gilt: 0,3 L_Profilsehne < x_p < 0,5 L_Profilsehne; wobei L_Profilsehne die Länge der Profilsehne (11) ist.
Abgasturbolader nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Längsprofil der Leitschaufel (6) folgende Beziehung gilt: 0 ≤ y_p/y₃ ≤ 1; vorzugsweise 0,6 ≤ y_p/y₃ ≤ 0,9; höchst vorzugsweise 0,65 ≤ y_p/y₃ ≤ 0,73;
Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Längsprofil der Leitschaufel (6) folgende Beziehung gilt: 0 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,5; vorzugsweise 0,8 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,4; höchst vorzugsweise 1,0 ≤ |y₁|/x₁ ≤ 1,3;