DE19924228A1 - Mehrflutiger, regelbarer Abgasturbolader - Google Patents
Mehrflutiger, regelbarer AbgasturboladerInfo
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Abstract
Ein Abgasturbolader 1 weist eine regelbare Radialturbine 2, die über eine gemeinsame Welle 4 einen Verdichter 3 antreibt, auf, wobei ein mehrflutig ausgeführtes Turbinengehäuse 5 das Turbinenrad 6 umgibt und mindestens zwei, ringförmig das Turbinenrad 6 umgebende Zuströmkanäle 7a, 7b aufweist, deren Austrittsöffnungen 8a, 8b zumindest abschnittsweise den Radeintritt 9 des Turbinenrades 6 umgeben und axial voneinander beabstandet sind. Ein ringförmiger, axialverschieblicher Schieber 15 ist zum Öffnen und Schließen der Austrittsöffnung 8a, 8b zumindest eines Zuströmkanals 7a, 7b vorgesehen, so daß hierdurch der Ladedruck der Turbine beeinflußt werden kann. Die einfache Ausführung des Regelorgans macht den Abgasturbolader insbesondere auch für kleinvolumige PKW-Motoren geeignet.
Description
Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader nach Anspruch 1. Ein derartiger
Abgasturbolader ist aus der Veröffentlichung "Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch/ Bosch", 21. Auflage, 1991, S. 420 ff bekannt.
Bei Abgasturboladern für Pkw-Motoren ist eine Regelung des
Abgasturboladers erforderlich um aufgrund des großen Drehzahlbereichs bei
Pkw-Motoren einen nahezu konstanten Ladedruck in einem möglichst
weiteren Drehzahlbereich zu erzielen. Stand der Technik ist hier die
abgasseitige Regelung bekannt, bei der ein Teil des Motorabgases um die
Turbine herumgeführt wird (Bypass). Das dafür erforderliche Regelorgan kann
als Ventil oder Klappe ausgeführt sein. Das Ladedruckregelorgan wird
pneumatisch betätigt. Der erforderliche Steuerdruck wird am Abgasturbolader
druckseitig abgenommen, so daß das System Abgasturbolader mit
Ladedruckregelorgan eine selbständige Einheit darstellt.
Eine energetisch günstigere Regelung ermöglicht die variable
Turbinengeometrie (VTG), mit der das Aufstauverhalten der Turbine
kontinuierlich verändert und damit jeweils die gesamte Abgasenergie genutzt
werden kann.
Von den dafür bekannten Ausführungsformen haben sich verstellbare
Leitschaufeln wegen ihres großen Regelbereichs bei gleichzeitig guten
Wirkungsgraden durchgesetzt. Durch Drehbewegung eines Verstellringes läßt
sich eine einfache Verstellung des Schaufelwinkels vornehmen. Dabei werden
die Schaufeln entweder über Verdrehnocken oder direkt über einzelne an den
Schaufeln befestigte Verstellhebel auf den gewünschten Winkel eingestellt.
Die Ansteuerung erfolgt pneumatisch über eine Stelldose mit Unter- oder
Überdruck. Eine mikroelektronische Regelung kann die Vorteile der variablen
Turbinengeometrie durch optimales Anpassen des Ladedruck über das
gesamte Motorkennfeld sinnvoll nutzen.
Eine variable Turbinengeometrie (VTG) stellt jedoch einen nicht
unbeträchtlichen Kostenaufwand dar, so daß bei Motoren mit kleinerem
Hubraum sich Turbolader mit VTG nicht etablieren konnten.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemäßen
Abgasturbolader anzugeben, welcher bei regelbarem Ladedruck
kostengünstig für kleinere Motoren einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß im Gegensatz zum Abgasturbolader mit
variabler Turbinengeometrie keine aufwendige Verstellmechanik vorgesehen
ist, der die Richtung und Geschwindigkeit der Abgasströmung vor dem
Radeintritt regelt sondern die Anpassung des Turbinendurchsatzes über ein
mehrflutiges Turbinengehäuse erfolgt, wobei ein zweiter Zuströmkanal mittels
des Schiebers sukzessive zugeschaltet werden kann. Die Beaufschlagung der
Turbine mit Abgas kann somit mittels eines einfachen, ringförmigen Schiebers
direkt durch Öffnen und Schließen eines Zuströmkanals beeinflußt werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß im Gegensatz zu einem
Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie, bei welchem der höchste
Wirkungsgrad erst bei ungefähr 50% des maximalen Abgasstroms erzielt
wird, bei dem erfindungsgemäßen Abgasturbolader der höchste
Wirkungsgrad schon bei geringem Massenstrom, d. h. bei geringer
Motordrehzahl anfällt. Dies führt zu einer Verbesserung des
Motordrehmoments schon im unteren Drehzahlbereich, was besonders bei
kleinvolumigen Motoren wünschenswert ist. Dieser Effekt resultiert
insbesondere aus der mehr-, vorzugsweise zweiflutigen Ausbildung des
Abgasturboladers, so daß eine Auslegung derart möglich ist, daß bei
geschlossenem Schieber die einflutige Beaufschlagung für niedrige
Drehzahlbereiche optimiert werden kann und erst mit steigender Drehzahl der
Schieber sukzessive geöffnet wird.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt bei Betätigung des Schiebers über
dessen Offenstellung hinaus eine Öffnung des Bypasskanals, so daß der
Ladedruck begrenzt werden kann. Beachtlich hierbei ist, daß mittels nur eines
Stellgliedes - des Schiebers - die Regelung des Ladedruckverhältnisses
sowohl durch eine Erhöhung des Durchsatzes durch Öffnen einer weiteren
Flut als auch eine Reduktion des Massenstroms durch Öffnen des Bypasses
ermöglicht wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen 2 bis 20.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Abgasturboladers mit Konturhülse und
Schieber in Verschlußstellung,
Fig. 2a eine verkleinerte Darstellung des Abgasturboladers nach Fig. 1,
Fig. 2b den Abgasturbolader nach Fig. 2a mit Schieber in Offenstellung,
Fig. 2c den Abgasturbolader nach Fig. 2a mit Schieber in Bypaßstellung,
Fig. 3a einen ausschnittsweisen Längsschnitt eines Abgasturboladers
mit hülsenloser Schiebersteuerung in Verschlußstellung und
Fig. 3b den Abgasturbolader nach Fig. 3a mit Schieber in Bypaßstellung.
Fig. 1 zeigt einen Abgasturbolader 1, welcher eine Turbine 2 und einen von
der Turbine 2 angetriebenen Verdichter 3 aufweist, die beide in
Radialbauweise ausgeführt sind. Turbine 2 und Verdichter 3 sind auf einer
gemeinsamen Welle 4 angebracht.
Die Turbine 2 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des
Verdichters 3, der Frischluft ansaugt und vorverdichtete Luft in die Zylinder
des nicht dargestellten Dieselmotors drückt. Der Abgasturbolader 1 ist nur
durch den Luft- und Abgasmassenstrom strömungstechnisch mit dem Motor
gekoppelt. Seine Drehzahl hängt nicht von der Motordrehzahl ab, sondern
von dem Leistungsgleichgewicht zwischen Turbine 2 und Verdichter 3.
Ein zweiflutig ausgeführtes Turbinengehäuse 5 umgibt das Turbinenrad 6.
Integraler Bestandteil des Turbinengehäuses 5 sind die beiden axial
voneinander beabstandeten Zuströmkanäle 7a und 7b, deren
Austrittsöffnungen 8a und 8b den Radeintritt 9 innerhalb des Turbinenrades 6
nahezu über den gesamten Umfang konzentrisch umgeben. Die beiden
Zuströmkanäle 7a und 7b sind durch eine radial sich erstreckende Wandung
10 des Turbinengehäuses 5 voneinander abgetrennt. Der aus den
Austrittsöffnungen 8a und 8b austretende Abgasstrom beaufschlagt den
Radeintritt 9, welcher von den radial außen liegenden Enden der Schaufeln 11
des Turbinenrades 6 gebildet wird, wobei deren Zuschnitt dem Radeintritt
eine zylindrische Außenkontur verleiht. Die Schaufeln 11 weisen einen
bogenförmigen Zuschnitt auf, so daß das Abgas auf einem radial weiter innen
liegenden Durchmesser das Turbinenrad 6 verläßt. Die Abgasströmung tritt
dann stromabwärts in den Abgaskanal 12 der Radialturbine 2 ein, welcher von
einer rohrförmigen Konturhülse 13 gebildet wird, die koaxial zur Achse 14 des
Abgasturboladers 1 angeordnet ist. Das stromaufwärtige Ende der
Konturhülse 13 weist einen bogenförmigen Zuschnitt auf, so daß sich die
Konturhülse an den bogenförmigen Verlauf der Schaufeln 11 anschmiegt. Der
Außendurchmesser des zylindrischen Außenumfangs der Konturhülse 13 weist
in etwa denselben Durchmesser wie der Durchmesser des Radeintritts 9 auf,
so daß die Konturhülse 13 mit dem Radeintritt 9 fluchtet.
Zum Öffnen und Schließen des stromabwärtig gelegenen Zuströmkanals 7b
bzw. dessen Austrittsöffnung 8b weist die Radialturbine einen ringförmigen,
axial verschieblichen Schieber 15 auf, der in Fig. 1 und Fig. 2a in seiner
Schließstellung dargestellt ist. Der koaxial zur Achse 14 angeordnete Schieber
15 umgibt die Konturhülse 13 konzentrisch und gleitet auf deren zylindrischen
Außenkontur bei seiner in axialer Richtung erfolgenden Verstellbewegung.
Hierzu ist der Schieber 15 an seinem stromabwärtigen Ende mit einem
ladedruckabhängig gesteuerten Antrieb 16 gekoppelt. Zum Abschließen des
stromabwärtigen Zuströmkanals 7b weist der Schieber 15 an seinem
zuströmseitigen Ende einen Schließkopf 16 mit einer konischen Dichtfläche
17a auf, die wiederum mit einer konisch ausgebildeten Dichtfläche 17b der
Wandung 10 zusammenwirkt. In seiner Schließstellung deckt somit der
Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b vollständig ab, so daß aus dem
Zuströmkanal 7b kein Abgas austreten kann. Hierzu weist der Schließkopf 16
im Anschluß an die Dichtfläche 17a einen zylindrischen Abschnitt auf. Soll nun
der Gasdurchsatz zur Einhaltung eines vorgegebenen Ladedruckverhältnisses
erhöht werden, so erfolgt eine Verschiebung des Schiebers 15 in
stromabwärtige Richtung, was zur Freigabe der Austrittsöffnung 8b führt und
den Weg des Abgasstromes zum Radeintritt 9 freigibt. Diese Offenstellung in
Fig. 2b gezeigt.
Um mit zunehmender Motordrehzahl ein Überschreiten des höchstzulässigen
Ladedrucks zu vermeiden, weist der Abgasturbolader einen Bypaßkanal 19
auf, dessen Verbindung zu den beiden unmittelbar vor dem Radeintritt 9 sich
vereinigenden Fluten durch weitere stromabwärtige Verschiebung des
Schiebers 15 freigegeben wird. In dieser in Fig. 2c dargestellten
Bypaßstellung des Schiebers 15 gibt dessen Schließkopf 16 eine
gehäuseseitige Ausnehmung 20a frei. Um die stromabwärts der Ausnehmung
20a gelegene Ringdichtung 21 in Richtung des Bypasskanals 19 umströmen
zu können, weist wiederum der Schieber 15 stromabwärts des Schließkopfes
16 eine umlaufende Nut 22 auf, so daß schließlich der Bypaßkanal 19 über
die Nut 22 und die Ausnehmung 20 zumindest mit der Abgasströmung des
Zuströmkanals 7b verbunden ist.
Die Fig. 3a und 3b zeigen eine alternative Ausführungsform des
Abgasturboladers 1 ohne die Ausbildung einer Konturhülse. Die Funktion der
Konturhülse wird hierbei vollständig durch die rohrförmige Ausbildung des
Schiebers 15 ersetzt, so daß der ebenfalls koaxial zur Achse 14 angeordnete
und längsverschiebliche Schieber 15 den Abgaskanal 12 bildet.
Das Turbinenrad 6 ist mit einer sogenannten "100%-Kontur" ausgeführt, d. h.
der Radeintritt 9 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte axiale Tiefe
des Turbinenrades 6. Der Radeintritt 9 ist gegenüber den Austrittsöffnungen
8a und 8b sowie gegenüber einem zylindrisch ausgebildeten Abschnitt - die
Schieberführung 23 - radial beabstandet. Die Schieberführung 23 weist eine
Buchse 24 zur axial verschieblichen Führung des Schiebers 15 und zur
Abdichtung auf. Wie in Fig. 3 zu erkennen, ist sowohl der Außen- als auch
der Innendurchmesser des hülsenförmigen Schiebers 15 derart auf den
Durchmesser der Schieberführung 23 und den Außendurchmesser des
Radeintritts 9 abgestimmt, daß im geschlossenen Zustand des Schiebers der
Schließkopf 16 des Schiebers 15 sowohl den Zuströmkanal 7b bzw. dessen
Austrittsöffnung 8b verschließt als auch den sich durch die radiale
Beabstandung des Radeintritts 9 zur Schieberführung 23 ergebenden Spalt 25
dicht abschließt. Hierzu ist der Schließkopf 16 im wesentlichen wie der
Schließkopf nach Fig. 1 ausgeführt, so daß die Dichtflächen 17a und 17b
miteinander zusammenwirken und der Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b
bei geschlossener Schieberstellung abschließt, wie dies in Fig. 3a dargestellt
ist.
Im geschlossenen Zustand überdeckt der Schieber 15 den Radeintritt 9 in
einem axialen Abschnitt. Durch sukzessives Öffnen des Schiebers 15 in
stromwärtiger Richtung gibt der Schließkopf 16 die Austrittsöffnung 8b frei, so
daß auch die Flut des stromabwärtigen Zuströmkanals 7b das Turbinenrad 6
beaufschlagt. Gleichwohl bleibt der Spalt zwischen Radeintritt 9 und
Schieberführung 23 auch bei völliger Freigabe der Austrittsöffnung 8b durch
die Überdeckung des Radeintritts 9 verschlossen. Erst bei weiterer
stromabwärtiger Verschiebung des Schiebers 15 gibt der Schließkopf den
Spalt 25 frei, so daß ein Teil des Abgasstromes - die Abblasung - nicht mehr
wie in Fig. 1 dargestellt außen um den Schieber herum, sondern innerhalb
des Schiebers 15 erfolgt.
Um die optimale Beaufschlagung des Radeintritts 9 durch den
stromaufwärtigen Zuströmkanal 7a zu gewährleisten, weist der Schließkopf 16
eine konisch sich verjüngende Eintrittsöffnung 26 auf, wodurch weiter ein
Totregelweg vermieden wird. Um die Dichtheit zwischen Turbinengehäuse 5
und dem Schieber 15 zu gewährleisten, ist im stromabwärtigen Anschluß an
den Schließkopf ein Kolbenring 27 vorgesehen, der mit der Schieberführung
23 dichtend zusammenwirkt. Als Werkstoff für den Kolbenring ist Haynes Alloy
25 vorgesehen, um die erforderliche Elastizität bei den maximalen
Betriebstemperaturen zu gewährleisten. Um ein optimales Zusammenwirken
zwischen Kolbenring 27 und Buchse 24 zu gewährleisten, ist die Buchse aus
dem Werkstoff Brico PMS 2600 ausgeführt, was zum einen die erforderliche
Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und zum anderen das
Schmiervermögen besitzt. Der feste Sitz der Buchse 24 wird mittels einer
Presspassung gewährleistet. Im Gegensatz zu dem nach Fig. 1 dargestellten
Schiebers ist der Schieber nach den Fig. 3a und 3b aus dem Werkstoff
Brico PMS 2600 statt aus dem Gußwerkstoff Inconell 713C ausgeführt.
Hierdurch kann auf den für Inconell notwendigen, aufwendigen Gießprozeß
verzichtet werden.
1
Abgasturbolader
2
Turbine
3
Verdichter
4
Welle
5
Turbinengehäuse
6
Turbinenrad
7
a, b Zuströmkanal
8
a, b Austrittsöffnung
9
Radeintritt
10
Wandung
11
Schaufel
12
Abgaskanal
13
Konturhülse
14
Achse
15
Schieber
16
Schließkopf
17
a, b Dichtfläche
18
Antrieb
19
Bypaßkanal
20
a, b Ausnehmung
21
Ringdichtung
22
Nut
23
Schieberführung
25
Spalt
26
Eintrittsöffnung
27
Kolbenring
Claims (20)
1. Abgasturbolader (1) mit einer regelbaren Radialturbine (2), die über
eine gemeinsame Welle (4) einen Verdichter (3) antreibt, wobei ein mehrflutig
ausgeführtes Turbinengehäuse (5) das Turbinenrad (6) umgibt und
mindestens zwei, ringförmig das Turbinenrad (6) umgebende Zuströmkanäle
(7a, 7b) aufweist, deren Austrittsöffnungen (8a, 8b) zumindest abschnittsweise
den Radeintritt (9) des Turbinenrades (6) umgeben und axial voneinander
beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger,
axialverschieblicher Schieber (15) zum Öffnen und Schließen der
Austrittsöffnung (8a, 8b) zumindest eines Zuströmkanals (7a, 7b) vorgesehen
ist.
2. Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Turbinengehäuse (5) zwei Zuströmkanäle (7a, b) aufweist, die mittels einer
Wandung (10) voneinander abgetrennt sind und das radial innenliegende
Ende der Wandung (10) eine ringförmige Dichtfläche (17b) zum
Zusammenwirken mit dem Schieber (15) aufweist.
3. Abgasturbolader nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Vereinigen der Fluten vor dem Radeintritt (9) das Ende der Wandung (10)
radial vom Radeintritt (9) beabstandet ist.
4. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) an seinem zuströmseitigen Ende
einen Schließkopf (16) mit einer konischen Dichtfläche (17a) zum Schließen
eines Zuströmkanals (7a, b) aufweist.
5. Abgasturbolader nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im
Anschluß an die Dichtfläche (17a) des Schließkopfes (16) ein zylindrischer
Abschnitt zum Abdecken der Austrittsöffnung (8, ab) ausgebildet ist.
6. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) zum Regeln seiner Stellung mit
einem ladedruckabhängig gesteuerten Antrieb (18) gekoppelt ist.
7. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Schiebers (15) von einer
zylindrischen Dicht- und/oder Führungsfläche (23) des Turbinengehäuses (5)
und der Innendurchmesser vom Durchmesser des Radeintritts (9) bestimmt
wird.
8. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) zumindest in Schließstellung in einen
zum Radeintritt (9) und Turbinengehäuse (5) ausgebildeten Spalt (25)
hineinragt und diesen schließt.
9. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) den Radeintritt (9) zumindest in
Schließstellung einen axialen Abschnitt des Radeintritts (9) überdeckt.
10. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abgasturbolader (1) ein Turbinenrad (6) aufweist,
dessen Radeintritt (9) sich im wesentlichen über die gesamte axiale
Abmessung der Schaufelblätter (11) erstreckt.
11. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Radeintritt (9) zumindest einen schieberseitigen
Abschnitt mit zylindrischer Kontur aufweist.
12. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) eine konisch sich verjüngende
Eintrittsöffnung (26) aufweist, die stromabwärts in einen zylindrischen
Abschnitt übergeht.
13. Abgasturbolader nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der zylindrische Abschnitt des Schiebers (15) zumindest in
Schließstellung den Abschnitt mit zylindrischer Kontur des Radeintritts (9)
abdeckt.
14. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) den Abgaskanal (12) der
Radialturbine (2) bildet.
15. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß koaxial zum Schieber (15) eine rohrförmige Konturhülse
angeordnet ist, die im austrittsseitigen Anschluß an das Turbinenrad (6) den
Abgaskanal (12) der Radialturbine (2) bildet.
16. Abgasturbolader nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abgasturbolader einen Bypaßkanal (19) aufweist, welcher mit dem
verschließbaren Zuströmkanal (7b) in Verbindung steht, wobei die Verbindung
mittels des Schiebers (15) verschließbar ist.
17. Abgasturbolader nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Turbinengehäuse (5) und dem Schieber (15) eine Dichtung
vorgesehen ist, die den Schieber (15) bei Schließstellung kontaktiert und die
Verbindung unterbricht und eine am Schieber ausgebildete Ausnehmung
(20a) bei Bypaßstellung des Schiebers (15) die Kontaktierung der Dichtung
unterbricht und die Verbindung zum Bypaßkanal (19) freigibt.
18. Abgasturbolader nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Konturhülse (13) mit ihrem stromaufwärtigen Ende
in die bogenförmige Außenkontur des Turbinenrades (6) hineinragt.
19. Abgasturbolader nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
zylindrische Konturhülse (13) am Außenumfang mit dem Radeintritt (9)
fluchtet.
20. Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Schieber (15) die Austrittsöffnung (8b) des
stromabwärts gelegenen Zuströmkanals (7b) öffnet und schließt und koaxial
zur Turbinenachse (14) angeordnet ist.
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