DE10303776A1

DE10303776A1 - Multifunktions-Turbine

Info

Publication number: DE10303776A1
Application number: DE10303776A
Authority: DE
Inventors: Michele Clemente
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader 1 mit einem in axialer Richtung zur Drehachse 2.1 des Turbinenrades 2 angeordnetem Auslasskanal 12. In den Auslasskanal 12 ist ein Strömungsteiler 8 eingebracht, der einen Sammelkanal 6 und einen zum Sammelkanal 6 koaxial verlaufenden Abgaskanal 7 bildet. Der im radialen Randbereich der Turbine aus dem Turbinenrad 2 austretende Abgasteilstrom 4.1 wird in den Sammelkanal 6 geleitet und durch im Sammelkanal 6 angeordnete Leitschaufeln 8.1, 8.1' in die Abgasrückführung 3 geleitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbinengehäuse, einem Turbinenrad sowie einer am Turbinengehäuse anschließenden Abgasrückführung, wobei dem Turbinenrad hochdruckseitig ein Einlasskanal und niederdruckseitig ein Auslasskanal für einen Abgasstrom zugeordnet sind.

Es ist bereits eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Abgasrückführung aus der DE 42 09 469 C1 bekannt. Ein Ringkanal ist im Spiralgehäuse der Abgasturbine angeordnet und bildet zusammen mit einem Schaufelabschnitt des Turbinenlaufrades einen Abgasverdichter zur Förderung einer Abgasrückführmenge. Im Fahrbetrieb wird ein Teilstrom des aus den Abgasfluten des Spiralgehäuses strömenden Abgases von einem Schaufelabschnitt des rotierenden Laufrades unter Erhöhung des Abgasdruckes in den Ringkanal gefördert. Das angehobene Druckniveau des Abgases übersteigt im gesamten Last- und Drehzahlbereich den Druck in der Ladeluftleitung, wobei das Abgas somit in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Abgasrückführung eines Turboladers derart auszubilden und anzuordnen, dass die Rückführung des Abgases bei ungünstigen Druckverhältnissen zwischen Verdichter und Turbine einfach gewährleistet ist.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Turbinenrad angeordnete Auslasskanal mindestens zweigeteilt ist und einen in axialer Richtung, parallel zu einer Drehachse ringförmigen Sammelkanal und einen zum Sammelkanal koaxial angeordneten zylinderförmigen Abgaskanal aufweist. Das dynamische Druckniveau des Abgasstromes nach dem Turbinenrad variiert über dem Querschnitt des Turbinenrades und ist abhängig von der jeweiligen radialen Position am Turbinenrad. Durch den ringförmigen Sammelkanal wird erreicht, dass der Teil des Abgasstromes mit dem höchsten Druckniveau für die Abgasrückführung abgezweigt wird.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass in Strömungsrichtung hinter das Turbinenrad ein zylinderförmiger Strömungsteiler in das Turbinengehäuse eingebracht ist und der Sammelkanal durch das Turbinengehäuse und den Strömungsteiler gebildet ist. Dieser einfach gebildete Strömungsteiler teilt den Auslasskanal in zwei koaxiale Kanäle. Der ringförmige Spalt zwischen dem Turbinengehäuse und dem Strömungsteiler ist einfach dimensionierbar und zweigt den für die Abgasrückführung notwendigen Teil des Abgasstroms direkt am Turbinenrad ab, was zu einem vorteilhaften Wirkungsgrad führt.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Strömungsteiler den Abgaskanal aufweist. Der hohle Strömungsteiler begrenzt somit einerseits den Sammelkanal und andererseits den Abgaskanal. Er wird beiderseits umströmt und bildet ein Bauteil, das zwei Funktionen erfüllt.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass der Sammelkanal in einer am Turbinengehäuse anschließenden Abgasrückführung mündet, die als Rohrleitung und/oder als Gehäusekanal ausgebildet ist. Der direkt am Turbinenrad abgezweigte Abgasstrom wird somit durch den Sammelkanal unmittelbar der Abgasrückführung zugeführt. Weitere Strömungsverluste werden dadurch vermieden.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass der Sammelkanal in Strömungsrichtung hinter der Abgasrückführung durch das Turbinengehäuse oder eine Verschlussvorrichtung über den gesamten Querschnitt geschlossen oder verschließbar ausgebildet ist. Der Abgasstrom wird somit nach dem Einströmen in axialer Richtung zwangsläufig in radialer Richtung in die Abgasrückführung geleitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass in den Sammelkanal Leitschaufeln eingebracht sind, die den Abgasstrom von der axialen Richtung in Umfangsrichtung um den Strömungsteiler lenken. Damit werden ebenfalls Strömungsverluste vermieden, um den in axialer Richtung in den Sammelkanal strömenden Abgasstrom umzulenken. Die Leitschaufeln weisen eine entsprechend stark gekrümmte Form auf.

Von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende Erfindung, dass der Strömungsteiler aus einem rohrförmigen Schaufelring und Leitschaufeln gebildet ist und auf der Außenseite des Schaufelrings die Leitschaufeln befestigt sind. Damit ist ein Bauteil geschaffen, das auch mit kleinen Abmessungen einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Die Leitschaufeln sind durch ein Schweiß- oder Lötverfahren am Schaufelring befestigt.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass der Schaufelring direkt oder indirekt über die Leitschaufeln und/oder eine Befestigungsvorrichtung form- und/oder kraftschlüssig im Turbinengehäuse gelagert ist. Dadurch wird der Strömungsteiler im Turbinengehäuse in radialer Richtung befestigt. Die Befestigung über die Leitschaufeln hat den Vorteil, dass die Befestigungsvorrichtung nicht den Abgasstrom behindert.

Vorteilhaft ist es ferner, dass die Leitschaufeln in Umfangsrichtung um den Schaufelring einen Überstand zwischen 5 und 50%, insbesondere zwischen 10 und 20% ihrer Länge aufweisen. Der Überstand gewährleistet einen Verschluss des Sammelkanals in axialer Richtung, sodass der Abgasstrom zwangsläufig in Umfangsrichtung um den Schaufelring geleitet wird.

Auch ist es vorteilhaft, dass der Strömungsteiler über seinen gesamten Umfang in axialer Richtung mit mindestens einer Stirnseite am Turbinengehäuse anliegt. Damit werden zusätzliche Leckagen vermieden, die den dynamischen Druck im Sammelkanal reduzieren.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den iguren dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Abgasturboladers mit einem Strömungsteiler;
2 einen Strömungsteiler in perspektivischer Ansicht;
3 einen Strömungsteiler in Seitenansicht;
4 einen Strömungsteiler im Schnitt in axialer Richtung.
In 1 ist eine Schnittansicht eines Abgasturboladers 1 mit einem Strömungsteiler 8 innerhalb eines Turbinengehäuses 1.1 dargestellt.
Im Turbinengehäuse 1.1 ist eine Turbinenachse 2.2 gelagert, die das Turbinenrad 2 aufnimmt. Das Turbinenrad 2 rotiert um eine Drehachse 2.1, die in axialer Richtung verläuft. Der Abgasstrom 4 wird druckseitig über einen Einlasskanal 11 des Turbinengehäuses 1.1 zum Turbinenrad 2 geleitet. Nach dem Turbinenrad 2 wird der Abgasstrom 4 durch einen Strömungsteiler 8 in zwei Abgasteilströme 4.1, 4.2 geteilt. Der Abgasteilstrom 4.1 strömt durch einen Sammelkanal 6. Der Sammelkanal 6 wird durch das Turbinengehäuse 1.1 und durch den Strömungsteiler 8 gebildet. Der Abgasteilstrom 4.2 strömt durch den Abgaskanal 7 in den Auslasskanal 12 des Turbinengehäuses 1.1.
Der Strömungsteiler 8 als Grundkörper weist gemäß 2 einen Schaufelring 8.2 auf, auf dessen Außenfläche Leitschaufeln 8.1, 8.1' angebracht sind. Die Leitschaufeln 8.1, 8.1' sind über den Umfang des Schaufelrings 8.2 verteilt angeordnet. In axialer Richtung sind die Leitschaufeln 8.1, 8.1' nur in einem Teilbereich der Oberfläche des Schaufelrings 8.2 vorgesehen. Der Schaufelring 8.2 weist somit zwei Oberflächenbereiche auf. Einen Bereich ohne Leitschaufeln 8.1, 8.1' und einen Bereich mit Leitschaufeln 8.1, 8.1'. Das Verhältnis der beiden Bereiche variiert zwischen 1/10 und 1/2.
Wie in den 2 bis 4 dargestellt, ist auf vier nicht näher bezeichneten Leitschaufeln jeweils eine Befestigungsvorrichtung 5 vorgesehen. Über die Befestigungsvorrichtung 5, die als Steg ausgebildet ist, wird der Strömungsteiler 8 im Turbinengehäuse 1.1 befestigt. Hierzu weist das Turbinengehäuse 1.1 nicht näher dargestellte Nuten auf, in die die jeweilige Befestigungsvorrichtung 5 eingesteckt wird.
Um den Abgasteilstrom 4.1, wie in 1 dargestellt, in die Abgasrückführung 3 zu lenken, sind die Leitschaufeln 8.1, 8.1' entsprechend ausgerichtet und geformt. Der Abgasteilstrom 4.1 umströmt den Schaufelring 8.2 maximal um nahezu 360°. Hierbei wird der Abgasteilstrom 4.1 von der radialen Richtung in Umfangsrichtung um den Schaufelring 8.2 gelenkt und in die Abgasrückführung 3 geleitet.
In axialer Richtung ist der direkte Durchgang für den Abgasteilstrom 4.1 aus dem Sammelkanal 6 wieder hinaus durch die Leitschaufeln 8.1, 8.1' verschlossen. Hierzu weisen die Leitschaufeln 8.1, 8.1' zueinander einen Überstand 9 von 24% ihrer mittleren Länge 10 auf.

1: Abgasturbolader
1.1: Turbinengehäuse
2: Turbinenrad
2.1: Drehachse
2.2: Turbinenachse
3: Abgasrückführung
4: Abgasstrom
4.1: Abgasteilstrom
4.2: Abgasteilstrom
5: Befestigungsvorrichtung
6: Sammelkanal
7: Abgaskanal
8: Strömungsteiler
8.1: Leitschaufel
8.1': Leitschaufel
8.2: Schaufelring
9: Überstand
10: Länge
11: Einlasskanal
12: Auslasskanal

Claims

Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbinengehäuse (1.1), einem Turbinenrad (2) sowie einer am Turbinengehäuse (1.1) anschließenden Abgasrückführung (3), wobei dem Turbinenrad (2) hochdruckseitig ein Einlasskanal (11) und niederdruckseitig ein Auslasskanal (12) für einen Abgasstrom (4) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Turbinenrad (2) angeordnete Auslasskanal (12) mindestens zweigeteilt ist und einen in axialer Richtung, parallel zu einer Drehachse (2.1) ringförmigen Sammelkanal (6) und einen zum Sammelkanal (6) koaxial angeordneten zylinderförmigen Abgaskanal (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter das Turbinenrad (2) ein zylinderförmiger Strömungsteiler (8) in das Turbinengehäuse (1.1) eingebracht ist und der Sammelkanal (6) durch das Turbinengehäuse (1.1) und den Strömungsteiler (8) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (8) den Abgaskanal (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (6) in einer am Turbinengehäuse (1.1) anschließenden Abgasrückführung (3) mündet, die als Rohrleitung und/oder als Gehäusekanal ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (6) in Strömungsrichtung hinter der Abgasrückführung (3) durch das Turbinengehäuse (1.1) oder eine Verschlussvorrichtung über den gesamten Querschnitt geschlossen oder verschließbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sammelkanal (6) Leitschaufeln (8.1) eingebracht sind, die den Abgasstrom (4) von der axialen Richtung in Umfangsrichtung um den Strömungsteiler (8) lenken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (8) aus einem rohrförmigen Schaufelring (8.2) und Leitschaufeln (8.1) gebildet ist und auf der Außenseite des Schaufelrings (8.2) die Leitschaufeln (8.1) befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelring (8.2) direkt oder indirekt über die Leitschaufeln (8.1) und/oder eine Befestigungsvorrichtung (5) form- und/oder kraftschlüssig im Turbinengehäuse (1.1) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (8.1) in Umfangsrichtung um den Schaufelring (8.2) einen Überstand (9) zwischen 5 und 50%, insbesondere zwischen 10 und 20% ihrer Länge (10) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsteiler (8) über seinen gesamten Umfang in axialer Richtung mit mindestens einer Stirnseite am Turbinengehäuse (1.1) anliegt.