DE19618160A1 - Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 29 01 041 C2 ist bereits ein Abgasturbolader der gat­ tungsgemäßen Art bekannt, dessen Turbine ein Laufrad und ein Turbinengehäuse mit zwei durch eine Trennwand getrennte Einlauf­ kanäle aufweist. Von einem der beiden Einlaufkanäle zweigt ein Bypaßkanal ab, in dem ein Bypaßventil angeordnet ist. Über dem Bypaßkanal nebst Bypaßventil ist stromauf eines Laufradeintrit­ tes Abgas von besagtem Einlaufkanal abzweigbar und stromab des Turbinenlaufrades dem Abgasstrom wieder zuführbar.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die Druck­ schriften DE 42 35 794 C1, DE 35 28 225 A1, DE 29 41 704 C2 und DE 28 55 687 C2 verwiesen.

Ein Problem von Abgasturboladern liegt darin, daß besonders im oberen Lastbereich hinsichtlich Dauerhaltbarkeit kritische Tem­ peratur- und Druckzustandswerte erreicht werden. Eine bekannte Abhilfe stellen sogenannte Abblasevorrichtungen dar, beispiels­ weise Axialschieber, mit denen die Turbinengehäusekontur im Be­ reich der eintrittsseitigen Laufradperipherie verändert und so ein teilweises Vorbeiströmen des Abgas es an dem Turbinenlaufrad ermöglicht wird. Der turbinenseitige Abgasmassendurchsatz wird schlagartig erhöht, indem eine gewisse Menge Abgas nicht durch das Turbinenlaufrad strömt und dabei Arbeit verrichtet, sondern bezüglich des Laufrades bypassiert wird. Bei zweiflutigen Ab­ gasturboladern sind für dessen sicheren Betrieb gegebenenfalls zwei Abblasevorrichtungen erforderlich.

Bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen, deren Lader ver­ brauchsoptimal ausgelegt sind, besteht ein weiteres Problem dar­ in, daß in relevanten Kennfeldbereichen der Brennkraftmaschine der Ladedruck höher liegt als deren Abgasgegendruck und somit eine einfache Rückführung des Abgases zur Einlaßseite der Brenn­ kraftmaschine nicht möglich ist. Um dennoch Abgas zur Reduzie­ rung der NO_x-Emission dem angesaugten Luftstrom zuführen zu kön­ nen, wird der Druck hinter dem Ladeluftverdichter in vielen Fäl­ len wieder mit einer Drosselklappe auf einen Druck unter den Ab­ gasgegendruck herabgedrosselt. Eine Zuführung des Abgases vor den Ladeluftverdichter erfolgt wegen dessen Verschmutzung und auch wegen der Verschmutzung eines nachfolgenden Ladeluftkühlers üblicherweise nicht, da hierdurch die Lebensdauer dieser Bautei­ le wesentlich beeinträchtigt würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen zwei-oder mehrflutigen Abgasturbolader baulich einfach und ko­ stengünstig derart auszubilden, daß der Aufstaudruck in den ein­ zelnen Fluten möglichst variabel regelbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 gegebenen Merkmale gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung an.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Abgasturboladers liegt darin, daß der Aufstaudruck in den einzelnen Fluten über ein in der Trennwand der beiden Fluten angeordnetes Bypaßventil fein do­ sierbar ist. Das Abblaseelement im Turbineneintrittsbereich in­ nerhalb Trennwand ist variabel regelbar oder getaktet steuerbar und ermöglicht je nach Stellung des Bypaßventils ein gleichzei­ tiges Abblasen aus beiden Fluten, ein Abblasen nur einer Flut, keine Abblasung jedoch eine Verbindung beider Fluten oder eine Trennung der beiden Fluten. Im Abblasebetrieb der Turbine wird die abgeblasene Abgasmenge stromab des Turbinenlaufrades wieder dem Abgasstrom zugeführt.

Eine Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 2 und 3 liegt darin, daß ein Abschnitt des Bypaßkanals durch die Trennwand selbst gebildet ist und daß besagter Abschnitt des Bypaßkanals auf einfache Weise mit dem Turbinengehäuse mitgegos­ sen werden kann.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Anspruch 4 besteht darin, daß bei Einlaufkanälen mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt (asymmetrische Turbinenspiralen), denen je­ weils eine Gruppe von Zylindern der Brennkraftmaschine zugeord­ net ist, durch das erfindungsgemäße Bypaßventil eine feindosier­ bare Abgasrückführung ermöglicht wird. Wird beispielsweise bei einem Sechszylindermotor jede Flut mit dem Abgas von drei Zylin­ dern beaufschlagt, stellt sich vor dem Turbineneintritt mit dem kleineren Spiralquerschnitt ein höherer Abgasgegendruck ein, als bei der Flut mit dem größeren Strömungsquerschnitt. Von der Flut, in der sich ein höher Aufstaudruck einstellt, führt eine Abgasrückführleitung auf die Ladeluftseite der Brennkraftmaschi­ ne. Mit dem erfindungsgemäßen Abblaseventil kann nun der Druck in und zwischen den einzelnen Fluten variiert werden, so daß die Abgasrückführung feiner dosierbar ist, als bei herkömmlichen zweiflutigen Turbinengehäusen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist für Tur­ binengehäuse mit in etwa symmetrischen Fluten (gleicher Strö­ mungsquerschnitt der Fluten) besonders vorteilhaft. Hierbei wer­ den die Abgase der Brennkraftmaschine zunächst in einem Sammel­ behälter gesammelt, wobei von diesem separat zu jeder Flut eine Verbindungsleitung führt. In einer der Verbindungsleitungen ist erfindungsgemäß eine Durchflußreguliereinrichtung angeordnet, mit der eine Grobabstimmung hinsichtlich des gewünschten Auf­ staudruckes vorgenommen werden kann. Durch das erfindungsgemäße Bypaßventil kann dann eine Feinabstimmung hinsichtlich des ge­ wünschten Druckgradienten erfolgen, indem entweder eine gewisse Menge Abgas abgeblasen oder alternativ in die zweite Flut gelei­ tet wird oder das Bypaßventil vollständig geschlossen ist und so weder eine Abgasmenge abgeblasen wird, noch eine Zuströmung von Abgas in die zweite Flut erfolgt.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteran­ sprüchen und der Beschreibung hervor.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Meridianschnitt eines zweiflutigen Turbinengehäu­ ses eines Abgasturboladers mit einem erfindungsgemäß in einer Trennwand zwischen den beiden Fluten angeordneten Bypaßventil,

Fig. 2 eine schematische Zeichnung einer Brennkraftmaschine, die über zwei Abgasleitungen und eine Ladeluftleitung mit dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader mit zwei asymmetrischen Einlaufkanälen (Turbinenspiralen) ver­ bunden ist, wobei zwischen einer der beiden Abgaslei­ tungen und der Ladeluftleitung eine Abgasrückführungs­ leitung angeordnet ist und

Fig. 3 eine schematische Zeichnung analog zu Fig. 2, jedoch mit symmetrischen Einlaufkanälen und mit einem Sammel­ behälter, der mit zwei Verbindungsleitungen mit den Fluten der Abgasturbine verbunden ist und wobei von ei­ ner der beiden Verbindungsleitungen eine Abgasrückführ­ leitung zur Ladeluftseite der Brennkraftmaschine ab­ zweigt.

Fig. 1 zeigt in einem Meridianteilschnitt einen Abgasturbolader 1 für eine Brennkraftmaschine 34 (siehe Fig. 2 und 3), der ein Lagergehäuse 2 und ein Turbinengehäuse 3 einer Abgasturbine 4 umfaßt. In dem Lagergehäuse 2 ist eine Welle 5 in Lagern 6, 7 gelagert und mit einem Laufrad 8 der Turbine 4 sowie mit einem Ladeluftverdichter 53 (siehe Fig. 2 und 3) drehfest verbunden.

Das Turbinengehäuse 3 besitzt einen Einströmstutzen 9, von dem aus zwei spiralförmige Einlaufkanäle (Fluten) 10 und 11, die durch eine Trennwand 12 strömungsmäßig voneinander getrennt sind, in Ringdüsen 13 und 14 an das Laufrad 8 münden.

In der Trennwand 12 ist ein Bypaßventil 15 in einem Abschnitt 16 eines Bypaßkanals 17 angeordnet, wobei über das Bypaßventil 15 stromauf der Ringdüsen 13, 14 eine Strömungsverbindung zwischen einem Einlaufkanal 10 bzw. 11 oder beiden Einlaufkanälen 10, 11 und einem Turbinenaustritt 18 wahlweise herstellbar oder unter­ brechbar ist.

Besagter Abschnitt 16 des Bypaßkanals 15 hat die Form einer Zy­ linderhülse und ist durch die Trennwand 12 selbst gebildet, wo­ bei in dem Abschnitt 16 Öffnungen 19, 20 zur strömungsmäßigen Verbindung der Einlaufkanäle 10, 11 mit dem Bypaßkanal 17 ange­ ordnet sind und wobei die Strömungsverbindung zwischen den Ein­ laufkanälen 10, 11 und dem Bypaßkanal 17 über ein den Öffnungen 19, 20 zugeordnetes Schließelement 21 steuerbar ist.

Das Schließelement 21 ist im gezeigten Beispiel als zylinderar­ tiger Drehschieber 22 ausgebildet, der mit den Öffnungen 19, 20 in Überdeckung bringbare und in Längsrichtung des Abschnittes 16 verlaufende Strömungskanäle 23, 24 aufweist, über die die Strö­ mungsverbindung zwischen den Öffnungen 19, 20 und dem Bypaßkanal 17 herstellbar ist.

Im folgenden wird der Aufbau und die Funktion des Bypaßventils 15 näher erläutert.

Stromab des Einströmstutzens 9 der Turbine 4 verläuft der Bypaß­ kanal 17, insbesondere in seinem Abschnitt 16, zunächst in etwa tangential zur Umfangsrichtung des Turbinengehäuses 3 in der Trennwand 12. Anschließend ist der Bypaßkanal 17 in etwa radial zum Turbinenaustrittsstutzen 18 geführt, wobei der Bypaßkanal 17 in einen im Turbinengehäuse 3 am Turbinenaustrittsstutzen 18 an­ geordneten Ringkanal 25 mündet, aus dem das Abgas in etwa paral­ lel zur Hauptströmungsrichtung des aus dem Laufrad 8 austreten­ den Abgases ausströmt. Der Ringkanal 25 ist durch das Turbinen­ gehäuse 3 und eine Einsatzhülse 3a gebildet, die laufradaus­ trittsseitig in dem Turbinengehäuse 3 angeordnet ist.

In dem zylinderförmigen Abschnitt 16, der durch die Trennwand 12 gebildet ist, ist der ebenfalls zylinderförmige Drehschieber 22 eingepaßt, der beispielsweise über eine in den Bypaßkanal 17 mündende Tangentialbohrung im Turbinengehäuse 3 ein- und ausbau­ bar ist. Nach Einbau des Drehschiebers 22 wird diese Tangential­ bohrung abgedichtet und kann gleichzeitig als Führung für einen nicht dargestellten Betätigungshebel des Drehschiebers 22 die­ nen.

Der Drehschieber 22 ist um eine tangential zur Umfangsrichtung des Turbinengehäuse 3 verlaufende Drehachse 26 drehbar, wobei in besagtem Drehschieber 22 zwei in dessen Längsrichtung verlaufen­ de und einander in etwa gegenüberliegende Strömungskanäle 23, 24 angeordnet sind, die mit den in besagtem Abschnitt 16 der Trenn­ wand 12 angeordneten Öffnungen 19, 20 in Überdeckung bringbar sind. Bezüglich der Drehachse 26 besitzen die Kanalwände des Strömungskanals 23 einen Öffnungswinkel w₁ von ca. 90° und die Kanalwände des Strömungskanals 24 einen Öffnungswinkel w₂ von ca. 45°. Die Kanalwände der Strömungskanäle 23, 24 münden direkt an den Zylindermantel des Drehschiebers 22, so daß ein entsprechen­ der Einströmquerschnitt 23′ bzw. 24′ gebildet ist. Die Kanaltie­ fe beträgt jeweils etwa den halben Radius des zylinderförmigen Drehschiebers 22.

Zwischen den Strömungskanälen 23, 24 sind sich ebenfalls einan­ der gegenüberliegende Zylindersektoren 27 und 28 mit Steuerkan­ ten 27a, 27b bzw. 28a, 28b gebildet. Die Führung des Drehschie­ bers 22 erfolgt durch die Zylindersektoren 27 und 28 über in diesen zugeordneten Abschnittssektoren 29, 30 des Abschnittes 16.

Die Öffnungen 19 bzw. 20 des als Zylinderhülse ausgebildeten Ab­ schnitts 16 besitzen die Form eines Zylinderringsektors 32 bzw. 33, wobei die Öffnungswinkel s₁ und s₂ der Zylinderringsektoren 32 bzw. 33 den Öffnungswinkeln w₁ bzw. w₂ der diesen zugeordneten Strömungskanälen 23 bzw. 24 entsprechen (s₁ = w₁; s₂ = w₂) Die Zy­ linderringsektoren 32 bzw. 33 besitzen Steuerkanten 32a, 32b bzw. 33a, 33b.

In der in Fig. 1 gezeigten Position des Drehschiebers 22 sind die beiden Einlaufkanäle 10, 11 gegeneinander abgedichtet, so daß keine Strömungsverbindung zwischen den beiden Fluten 10, 11 be­ steht. Von beiden Einlaufkanälen 10, 11 ist jeweils eine gewisse Abgasmenge durch den Bypaßkanal 17 auf die Turbinenaustrittssei­ te 18 bypassierbar. Ausgehend von dieser Position wird durch ei­ ne Drehung des Drehschiebers 22 um ca. 45° im Uhrzeigersinn der Strömungskanal 24 von der Hülsenwand des Abschnittes 16 abge­ deckt, wodurch die Strömungsverbindung zwischen Bypaßkanal 17 und Einlaufkanal 11 unterbrochen ist. Die Steuerkante 27b des Zylindersektors 27 liegt also bündig an der Steuerkante 33b des Zylinderringsektors 33 an bzw. überstreicht diese, so daß der Einströmquerschnitt 24 keine Strömungsverbindung mit der Öff­ nung 20 aufweist. Zwischen Einlaufkanal 10 und Bypaßkanal 17 be­ steht wegen des größeren Öffnungswinkels s₁ des Zylindersektors 32 noch eine Strömungsverbindung.

Wird der Drehschieber um weitere ca. 45° im Uhrzeigersinn ver­ dreht, streicht die Steuerkante 28a des Zylindersektors 28 an der Steuerkante 32a des Zylinderringsektors 32 vorbei, wodurch auch die Strömungsverbindung zwischen dem Einströmquerschnitt 23′ und der Öffnung 19 unterbrochen ist. Es sind nun beide Strö­ mungskanäle 23, 24 von der Hülsenwand des Abschnittes 16 über­ deckt, sodaß keine Strömungsverbindung zwischen den Einlaufkanä­ len 10, 11 und der Bypaßleitung 17 besteht. In dieser Position des Drehschiebers 22 erfolgt somit keine Bypassierung des Abga­ ses und der gesamte Abgasmassenstrom strömt durch das Laufrad 8 der Turbine 4.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Zeichnung die Brennkraftma­ schine 34, die sechs Zylinder aufweist und die über zwei Abgas­ leitungen 35, 36 und eine Ladeluftleitung 37 mit dem erfindungs­ gemäßen Abgasturbolader 1 mit zwei asymmetrischen Einlaufkanälen 38, 39 verbunden ist, wobei der Einlaufkanal 38 einen kleineren Strömungsquerschnitt aufweist als der Einlaufkanal 39 und wobei von der Abgasleitung 35, die zum Einlaufkanal 38 mit dem kleine­ ren Strömungsquerschnitt führt, eine Abgasrückführungsleitung 40 zur Ladeluftleitung 37 abzweigt und stromab eines Ladeluftküh­ lers 41 in diese mündet. In der Abgasrückführungsleitung 40 ist ein Abgasrückführventil 42 (Rückschlagventil) angeordnet, das ebenso wie das Bypaßventil 15 über die Ventilsteuereinrichtung 31, die mit einer Motorsteuerung verbunden ist, gesteuert wird.

Im gezeigten Beispiel wird in jeder Abgasleitung 35 bzw. 36 der Auslaß von jeweils drei Zylindern der Brennkraftmaschine 34 zu­ sammengefaßt, so daß jedem Einlaufkanal 10 bzw. 11 eine Gruppe von Auslaßkanälen mehrerer Zylinder zugeordnet ist.

In der Abgasleitung 35 ist ein Druckausgleichsbehälter 43 zum Ausgleich von Druckschwankungen vorgesehen, die beim Öffnen und Schließen des Abgasrückführventils 42 sowie bei Betätigung des Bypaßventils 15 entstehen.

Für gleiche oder gleichartige Bauteile aus Fig. 1 werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 3 ist in einer schematischen Zeichnung die Sechszylin­ der-Brennkraftmaschine 34, dargestellt, die eine gemeinsame Ab­ gasleitung 44 besitzt, die in einen Abgassammelbehälter 45 mün­ det. Von diesem führen zwei Verbindungsleitungen 46, 47 zu zwei symmetrischen Einlaufkanälen 48, 49 der Abgasturbine 4, wobei besagte Einlaufkanäle 48, 49 in etwa den gleichen Strömungsquer­ schnitt aufweisen. Für gleiche oder gleichartige Bauteile aus den Fig. 1 und 2 werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

In der Verbindungsleitung 46 ist eine Durchflußreguliereinrich­ tung 50 angeordnet, die über die Ventilsteuereinrichtung 31 ge­ steuert wird. Von der Verbindungsleitung 47 führt eine Abgas­ rückführungsleitung 51 zur Ladeluftleitung 37 und mündet stromab des Ladeluftkühlers 41 in die Ladeluftleitung 37. In der Abgas­ rückführungsleitung 51 ist ein Abgasrückführventil 52 (Rückschlagventil) angeordnet, das ebenso wie das Bypaßventil 15 und die Durchflußreguliereinrichtung 50 über die Steuereinrich­ tung 31, die mit der Motorsteuerung verbunden ist, gesteuert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Bypaßven­ til auch so ausgebildet sein, daß eine gezielte Öffnung der bei­ den Fluten zueinander ohne Abblasung ermöglicht ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann über das Bypaßventil, bei entsprechender Gestaltung und relativer Lage der Strömungs­ kanäle zu den Öffnungen im Abschnitt, auch zusätzlich eine Strö­ mungsverbindung zwischen den Einlaufkanälen herstellbar sein.

Je nach Zylinderzahl der Brennkraftmaschine und gewünschter Auf­ staucharakteristik der Abgasturbine des Abgasturboladers können selbstverständlich auch die Auslässe einer größeren oder kleine­ ren Gruppe von Zylindern zusammengefaßt werden.

Claims (7)

1. Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, dessen Turbine ein Laufrad und ein Turbinengehäuse mit mindestens zwei durch eine Trennwand getrennte Einlaufkanäle aufweist, wobei von min­ destens einem Einlaufkanal ein Bypaßkanal abzweigt, in dem ein Bypaßventil angeordnet ist und wobei über den Bypaßkanal strom­ auf eines Laufradeintrittes Abgas von dem mindestens einen Ein­ laufkanal abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypaßventil (15) in der Trennwand (12) angeordnet ist und die Strömungsverbindung wahlweise zwischen einem der beiden oder gleichzeitig beiden Einlaufkanälen (10, 11) und dem Bypaßka­ nal (17) durch das Bypaßventil (15) herstellbar oder unterbrech­ bar ist.

2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (16) des Bypaßkanals (17) durch die Trennwand (12) gebildet ist, wobei in besagtem Abschnitt (16) Öffnungen (19, 20) zur strömungsmäßigen Verbindung der Einlaufkanäle (10, 11) mit dem Bypaßkanal (17) angeordnet sind und wobei die Strömungsverbindung zwischen den Einlaufkanälen (10, 11) und dem Bypaßkanal (17) über ein den Öffnungen (19, 20) zugeordnetes Schließelement (21) steuerbar ist.

3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Abschnitt (16) des Bypaßkanals (17) als Zylinder­ hülse und das Schließelement (21) als in dieser angeordneter Drehschieber (22) ausgebildet ist, wobei besagter Drehschieber (22) mit den Öffnungen (19, 20) in Überdeckung bringbare Strö­ mungskanäle (23, 24) aufweist.

4. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkanäle (10, 11, 38, 39) einen unterschiedlichen Strömungsquerschnitt aufweisen und daß jedem Einlaufkanal (10, 11, 38, 39) eine Gruppe von Auslaßkanälen von ein oder mehre­ ren Zylindern der Brennkraftmaschine (34) zugeordnet ist, wobei von dem Einlaufkanal (38) mit dem kleineren Strömungsquerschnitt eine Abgasrückführleitung (40) abzweigt, die mit einer Ladeluft­ leitung (37) der Brennkraftmaschine (34) verbunden ist.

5. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Einlaufkanäle (10, 11, 48, 49) in etwa gleichen Strömungsquerschnitt aufweisen und mit einem Sammelbehälter (45), in dem die Abgase der Brennkraftmaschine (34) gesammelt werden, über Verbindungsleitungen (46, 47) verbunden sind, wobei in einer der Verbindungsleitungen (46) eine Durchflußregu­ liereinrichtung (50) angeordnet ist und von der anderen Verbin­ dungsleitung (47) eine Abgasrückführleitung (51) abzweigt, die mit einer Ladeluftleitung (37) der Brennkraftmaschine verbunden ist.

6. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypaßkanal (17) in einen im Turbinengehäuse (3) am Tur­ binenaustritt angeordneten Ringkanal (25) mündet, aus dem das Abgas in etwa parallel zur Hauptströmungsrichtung des aus dem Laufrad (8) strömenden Abgases austritt.

7. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bypaßventil (15) mit einer Steuereinrichtung (31) ver­ bunden und in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brenn­ kraftmaschine (34) regelbar oder getaktet steuerbar ist.